1
material de apoyo docente
Supermateriales. En busca del material del siglo XXI.
2
índice
Sinopsis .....................................................03
Introducción.............................................04
Información básica .................................05
Vocabulario ..............................................09
Sopa de letras ...........................................10
Ejercicios ....................................................11
Crucigrama ................................................ 12
Cuestiones ................................................ 14
Bibliografía recomendada ...................... 15
Ficha técnica del documental ............... 15
Supermateriales:
en busca del material del siglo XXI
Sinopsis
Los materiales han cambiado nuestras vidas desde el principio de los tiempos. Tanto es así que los historiadores han usado los distintos materiales para dar nombre a las Edades de la Historia de la Humanidad. Seguramente el siglo XX pasará a la Historia como la Edad de los semiconductores o de los plásticos, ¿pero cuál será el material que cambiará nuestras vidas en el siglo XXI? El documental plantea un recorrido por distintos centros de investigación en busca de ese supermaterial que de nombre al siglo XXI: Metamateriales, Biomateriales, Nanomateriales o el Grafeno.
5
Introducción
4
Introducción
En este documental se presentan diversos supermateriales que es-tán revolucionando la tecnología y el mundo actual. Algunos de ellos están siendo desarrollados en el Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA).
Luis Martín, Investigador del ICMA, nos propone distintos candidatos: Los metamateriales, los bioma-teriales o los nanomateriales. El mismo nos introduce los metama-teriales y sus posibles aplicacio-nes. Después visitamos el Hospital Clínico Universitario de Zaragoza donde Ángel Millán, investigador
del ICMA y el Doctor Larraz nos cuentan sus investigaciones en biomateriales. Por último, Jesús Santamaría, investigador del INA nos habla de los nanomateriales y sus fascinantes aplicaciones.
Cuando ya parece que hemos ter-minado, José María de Teresa, nos comenta que a lo mejor el material del siglo XXI es uno que está ahora muy de moda, el grafeno. Acep-ta gustoso a hablarnos de sus ex-traordinarias propiedades, de sus fascinantes aplicaciones y también de la manera tan original que se obtuvo por primera vez.
Informaciónbásica
Han sido tan importantes los materiales en la historia de la humanidad que los historiadores han clasificado las primeras épocas según los materiales que los seres humanos utilizaban preferentemente para realizar sus herramientas. En ocasio-nes, la introducción de un nuevo material suponía un cambio tan importante en las vidas de los seres humanos que tenía implicaciones tecnológicas y sociales que han permitido a los investigadores marcar el comienzo de una nueva época histó-rica. En la actualidad buena parte de las grandes revoluciones tecnológicas siguen viniendo de la mano de nuevos materiales que permiten la creación e implantación de nuevas tecnologías y dispositivos. En el siglo pasado, la introducción de los semi-conductores dio origen a una de las revoluciones tecnológicas más espectaculares de la historia de la humanidad: La edad de la electrónica. Así pues, ¿qué nos deparará el siglo XXI? Quizá aún sea pronto para saberlo, pero sin duda, en los centros de investigación actuales se están investigando y desarrollando los nuevos materiales que marcarán nuestro futuro y que, sin duda, serán piedras angulares de las próxima revoluciones tec-nológicas.
Nuevos tejidos para reparar el cuerpo humano, nuevos mate-riales para fabricar mejores prótesis. Materiales magnéticos para almacenamiento de cantidades ingentes de información. Materiales fotónicos, base de la fotónica, que puede sustituir en un futuro a la electrónica. Materiales inteligentes, materiales con memoria de forma, superconductores, materiales para la energía, como las pilar de combustible, nanomateriales, metamateriales. Nuevos polímeros que nos permitirán fabricar pantallas flexibles. Nuevos materiales como el grafeno con sorprendentes propiedades, algunas de ellas aún por descubrir. Moléculas con propiedades cuánticas que nos permitirán en el futuro desarrollar ordenadores cuánticos.
6
informaciónbásica
Los biomateriales son aquellos capaces de actuar e integrarse con sistemas biológicos con el propó-sito de evaluar, tratar, aumentar o reemplazar algún tejido, órgano o función del cuerpo.
Los biomateriales se usan, por tanto, para la fabricación de componentes, piezas o aparatos y sistemas médicos que van a ser implantados o aplicados en seres vivos. Por ello, es fundamen-tal que sean biocompatibles. Se llaman bioinertes aquellos cuyo efecto en los tejidos vivos que los rodean es nulo o insignificante, mientras que se deno-minan bioactivos aquellos que pueden enlazarse e interactuar con los tejidos vivos. Por su composición, los bioma-teriales pueden ser inorgánicos (me-tales como las amalgamas de plata y mercurio que se emplean en los em-pastes dentales, cerámicos también usados en empastes, polímeros como la silicona empleada en implantes ma-marios) o biológicos (colágeno, quiti-na, etc.).
Las características de los metamate-riales derivan no de las propiedades de los materiales base, sino de su for-ma, geometría, tamaño, orientación y disposición que les otorgan unas pro-piedades precisas. Por ejemplo son capaces de interferir y modificar on-das electromagnéticas bloqueando, absorbiendo, amplificando o desvian-do ondas, para lograr efectos que van
Los biomateriales
Los metamateriales
Atendiendo a la naturaleza del bio-material se puede establecer la clasificación siguiente:
> Las biocerámicas se emplean en la fabricación de implantes que no deban soportar cargas, como es el caso de la cirugía del oído me-dio, en el relleno de defectos óseos tanto en cirugía bucal como en cirugía ortopédica y en el recubri-miento de implantes dentales y ar-ticulaciones metálicas.
> Los metálicos se usan cuando es imprescindible soportar carga, como en las prótesis de cadera, para las que se utilizan aleaciones de cobalto (Co) con cromo (Cr) o de titanio (Ti) con aluminio (Al) y vana-dio (V), que también se usa en pró-tesis dentales.
> Los biomateriales poliméricos son ampliamente utilizados en implan-tes quirúrgicos como en mem-branas protectoras, sistemas de dosificación de fármacos o en ce-mentos óseos acrílicos.
más allá de lo que es posible con los materiales convencionales. Un meta-material es un material diseñado espe-cíficamente para tener una propiedad que no se encuentra en la naturaleza. Los metamateriales están formados de conjuntos de múltiples elementos dispuestos en patrones que se repiten. Las aplicaciones potenciales de meta-materiales son muy diversas e incluyen filtros ópticos, dispositivos médicos, aplicaciones aeroespaciales remotas, diseño de sensores, comunicación de campo de alta frecuencia, lentes para antenas de alta ganancia, mejora de sensores ultrasónicos.
La investigación de metamateriales es netamente interdisciplinar e involucra campos tales como ingeniería eléctri-ca, electromagnetismo, óptica clásica, física de estado sólido, ingeniería de microondas y antenas, optoelectróni-ca, ciencias de los materiales, nano-ciencia e ingeniería de semiconducto-res.
Imagen del metamaterial más ligero del mundo a día de hoy. A pesar de estar hecho de un
metal, el Niquel, es precisamente su
estructura lo que le confiere su ligereza
Los nanomateriales
Un nanomaterial es un material con una o más dimensiones externas, o una estructura interna, a nanoescala (más pequeñas que 1 µm en al menos una dimensión) y que podría poseer características nuevas o diferentes en comparación con el mismo material a mayor escala (macroescala), posibili-tando aplicaciones únicas. Así, sustan-cias opacas como el cobre se vuelven transparentes, o materiales inertes como el platino se transforman en ca-talizadores, o aislantes eléctricos como la silicona se vuelven conductores.
La nanotecnología consiste en el di-seño y la producción de objetos o es-tructuras muy pequeñas, inferiores a 100 nanómetros (100 millonésimas de milímetro). Un aspecto único de la nanotecnología es la enorme razón de superficie a volumen presente en muchos materiales en nanoescala que propicia la aparición de nuevos efectos mecánico cuánticos, en el que las pro-piedades electrónicas de los sólidos se alteran cuando se produce una gran reducción en el tamaño de las partí-culas. Los nanomateriales compuestos por nanopartículas, de un tamaño que no supera los 100 nanómetros al me-nos en una dimensión, son productos nanotecnológicos de creciente impor-tancia, que permiten crear multitud de estructuras como tubos o fibras a na-noescala.
Los nanomateriales comienzan a utili-zarse en campos como el sanitario, la electrónica y la cosmética, entre otros.
98
El grafeno
Los científicos habían teorizado sobre el grafeno durante muchos años. Inclu-so había producido involuntariamente pequeñas cantidades durante siglos, en las minas de los lápices y otras apli-caciones del grafito. Pero no fue hasta 1962 cuando se observó la estructura del grafeno por medio de un micros-copio electrónico.
El grafeno es un semimetal alótropo de carbono consistente en una sola capa de átomos de carbono dispues-tos en una red hexagonal. Es el ele-mento estructural básico de muchos otros alótropos de carbono, como el grafito, diamante, carbón, los nano-tubos de carbono y los fullerenos. El grafeno puede considerarse como una molécula aromática indefinidamente grande, el caso extremo de la familia de los hidrocarburos aromáticos poli-cíclicos planos.
El grafeno posee una gran variedad de propiedades poco comunes. Es el material más resistente jamás proba-do, conduce eficientemente el calor y la electricidad, y es casi transparente. El grafeno muestra un diamagnetismo grande y no lineal, mayor que el del grafito, puede ser levitado por imanes de neodimio, y su punto de fusión se encuentra en torno a los 6000 K (la su-perficie del sol está a 5777 K). Por ello, el campo de aplicaciones tecnológicas del grafeno está expandiéndose e in-vestigándose de forma muy intensa.
Grafeno
(Fuente: De AlexanderAlUS - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11294534)
informaciónbásica
VocabularioBioactivo: Material que tiene actividad biológica dentro del organismo.
Bioinerte: Material que no da lugar a reacción, ni favorable ni desfavorable, de tejidos o células vivos cuando interacciona con ellos.
Biomaterial: Sustancia natural o sintética que resulta adecuada para su implante en contacto directo con tejidos vivos.
Electrónica: Parte de la física que estudia los cambios y los movimientos de los electrones libres y la acción de las fuerzas electromagnéticas y los utiliza en aparatos que reciben y transmiten información.
Fotónica: Ciencia que estudia la generación, control y detección de fotones.
Fulereno: Molécula compuesta por carbono, similar al grafito, pero que puede adoptar una forma geométrica que recuerda a una esfera, un elipsoide, un tubo (llamado nanotubo) o un anillo.
Grafeno: Cristal de carbono en el que los átomos están dispuestos en un plano de forma hexagonal.
Metal: Sustancia generalmente sólido a temperatura ambiente, que es buena conductora del calor y de la electricidad, opaca y que tiene un brillo característico; se emplea, a menudo, en aleación con otros metales.
Metamaterial: Material artificial que presenta propiedades electromagnéticas inusuales, debido la estructura con la que han sido diseñados y no debido a su composición.
Nanomaterial: Material con propiedades morfológicas más pequeñas que 1 µm en al menos una dimensión, lo que le confiere enorme superficie por unidad de volumen.
Nanomecánica: Rama de la nanociencia que estudia las propiedades mecánicas fundamentales (elásticas, térmicas y cinéticas) de los sistemas físicos a escala nanométrica.
Plástico: Material sintético, obtenido por polimerización del carbono, que puede ser moldeado mediante presión o calor.
Semiconductor: Sustancia que tiene una resistencia más alta que la de los conductores e inferior a la de los aisladores, y que decrece al aumentar la temperatura.
Silicio: Elemento químico de número atómico 14, masa atómica 28,086 y símbolo Si.
Superconductor: Material que cuando se enfría por debajo de cierta temperatura su resistencia eléctrica se anula y expulsa el campo magnético de su interior.
Transistor: dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada.
Vocabulario
1110
Ejercicios01Sopa de letras
Palabras a buscar en la sopa de letras:
ELECTRÓNICAMETAMATERIALGRAFENOSEMICONDUCTORBIOACTIVO
PLÁSTICOMETALTRANSISTORNANOMECÁNICAFULERENO
02Ejercicios para realizar en clase
En la siguiente figura ubica lugares en los que la medicina actual utiliza materiales biocompatibles, enumera en cada caso qué materiales son y qué funciones cumplen. Haz una puesta en común con tus compañeros y con el profesor, y tratad entre todos de decidir cuáles son los más utilizados.
1312 1
14
9
2
6
11
78
4
10
13
5
15
3
12
03Crucigrama
Ho
rizo
nta
les
1. C
ien
cia
qu
e e
stu
dia
la g
en
era
ció
n,
con
tro
l y d
ete
cció
n d
e f
oto
ne
s.
5. M
olé
cula
co
mp
ue
sta
po
r ca
r-b
on
o, s
imila
r al
gra
fito
, pe
ro
qu
e p
ue
de
ad
op
tar
un
a fo
rma
ge
om
étr
ica
qu
e r
ecu
erd
a a
un
a e
sfe
ra, u
n e
lipso
ide
, un
tu
bo
(lla
-m
ado
nan
otu
bo
) o
un
an
illo
.
7 S
ust
anci
a q
ue
tie
ne
un
a re
sis-
ten
cia
más
alt
a q
ue
la d
e lo
s co
nd
uct
ore
s e
infe
rio
r a
la d
e
los
aisl
ado
res,
y q
ue
de
cre
ce a
l au
me
nta
r la
te
mp
era
tura
.
14 R
ama
de
la n
ano
cie
nci
a q
ue
es-
tud
ia la
s p
rop
ied
ade
s m
ecá
nic
as
fun
dam
en
tale
s (e
lást
icas
, té
rmi-
cas
y ci
né
tica
s) d
e lo
s si
ste
mas
fí
sico
s a
esc
ala
nan
om
étr
ica.
15. M
ate
rial
qu
e n
o d
a lu
gar
a r
eac
-ci
ón
, ni f
avo
rab
le n
i de
sfav
ora
ble
, d
e t
ejid
os
o c
élu
las
vivo
s cu
and
o
inte
racc
ion
a co
n e
llos.
Ve
rtic
ale
s
2 d
isp
osi
tivo
ele
ctró
nic
o s
em
ico
n-
du
cto
r u
tiliz
ado
par
a e
ntr
eg
ar u
na
señ
al d
e s
alid
a e
n r
esp
ue
sta
a u
na
señ
al d
e e
ntr
ada.
3. M
ate
rial
co
n p
rop
ied
ade
s m
orf
o-
lóg
icas
más
pe
qu
eñ
as q
ue
1 µ
m e
n
al m
en
os
un
a d
ime
nsi
ón
, lo
qu
e
le c
on
fie
re e
no
rme
su
pe
rfici
e p
or
un
idad
de
vo
lum
en
.
4. P
arte
de
la f
ísic
a q
ue
est
ud
ia lo
s ca
mb
ios
y lo
s m
ovi
mie
nto
s d
e lo
s e
lect
ron
es
libre
s y
la a
cció
n d
e la
s fu
erz
as e
lect
rom
agn
éti
cas
y lo
s u
tiliz
a e
n a
par
ato
s q
ue
re
cib
en
y
tran
smit
en
info
rmac
ión
.
6. S
ust
anci
a n
atu
ral o
sin
téti
ca q
ue
re
-su
lta
ade
cuad
a p
ara
su im
pla
nte
en
co
nta
cto
dir
ect
o c
on
te
jido
s vi
vos.
8. M
ate
rial
art
ifici
al q
ue
pre
sen
ta
pro
pie
dad
es
ele
ctro
mag
né
tica
s in
-u
sual
es,
de
bid
o la
est
ruct
ura
co
n la
q
ue
han
sid
o d
ise
ñad
os
y n
o d
eb
ido
a
su c
om
po
sici
ón
.
9. S
ust
anci
a g
en
era
lme
nte
só
lido
a
tem
pe
ratu
ra a
mb
ien
te, q
ue
es
bu
en
a co
nd
uct
ora
de
l cal
or
y d
e
la e
lect
rici
dad
, op
aca
y q
ue
tie
ne
u
n b
rillo
car
acte
ríst
ico
; se
em
ple
a,
a m
en
ud
o, e
n a
leac
ión
co
n o
tro
s m
eta
les.
10. E
lem
en
to q
uím
ico
de
nú
me
ro
ató
mic
o 1
4, m
asa
ató
mic
a 28
,08
6 y
sí
mb
olo
Si.
11. M
ate
rial
sin
téti
co, o
bte
nid
o p
or
po
lime
riza
ció
n d
el c
arb
on
o, q
ue
p
ue
de
se
r m
old
ead
o m
ed
ian
te
pre
sió
n o
cal
or.
12. M
ate
rial
qu
e t
ien
e a
ctiv
idad
bio
ló-
gic
a d
en
tro
de
l org
anis
mo
.
13. C
rist
al d
e c
arb
on
o e
n e
l qu
e lo
s át
om
os
est
án d
isp
ue
sto
s e
n u
n
pla
no
de
fo
rma
he
xag
on
al.
1514
Guión y realización:
• Agustín Camón
• Enrique Guerrero
• Miguel García
Duración: 13 min
Fecha producción: 12/11/2013
Género: Documental
Color/BN: Color
ADAMS, J., PENDLEBURY, D., 2011. Global Research Report: Materials Science and Technology. Thomson Reuters, 16 p. (https://archive.eettaiwan.com/www.eettaiwan.com/STATIC/PDF/201107/20110704_TR_NT24.pdf)
MENÉNDEZ, R. y BLANCO, C., 2014. El Grafeno. Colección “¿Que sabemos de…?”, CSIC y Catarata, Madrid, 94 p.
Mijangos, C y Moya, J. S. (coord.),2007. Nuevos materiales en la sociedad del siglo XXI. CSIC Madrid, 116 p. (http://documenta.wi.csic.es/alfresco/downloadpublic/direct/workspace/SpacesStore/7b909334-81fe-4ac6-a544-9322ffc0fa54/Nuevos%2520Materiales.pdf)
VALLET REGÍ, M. 2013. Biomateriales. Colección “¿Que sabemos de…?” CSIC y Catarata, Madrid, 128 p.
Ficha técnica del documental
Bibliografía recomendada04Cuestiones
para pensar
1 • ¿Cuáles son las propiedades físicas y químicas importantes de los nanomateriales?
2 • El grafeno tiene una estructura hexagonal. Piensa en otros lugares del mundo natural donde aparece este mismo patrón de rejilla hexagonal y enumera dos o tres ejemplos. ¿Por qué crees que el patrón hexagonal es tan frecuente en la naturaleza?
3 • De los diferentes supermateriales que hemos visto, ¿cuáles crees que podrían ser la base para hacer una capa de invisibilidad? ¿Por qué?
4 • Se está trabajando en lograr un líquido que podamos respirar ¿Qué características debería tener esté biomaterial líquido? ¿Por qué piensas que puede ser interesante conseguir este líquido respirable?
Respuestas
16
Este documental se realizó en el Taller de guion y producción de documental cien-tífico organizado por la Unidad de Cultura Científica de la Universidad de Zaragoza,
con financiación de la Fundación Española de Ciencia y Tecnología (FECYT)
ucc.unizar.es
