14/03/2011 UCM feb 2011 1

Materiales para el DesarrolloVictor M. OreraInstituto de Ciencia de Materiales de AragónCSIC-UZE-mail: orera@unizar.eshttp://icma.csic.unizar.es/

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- Introducción

- Los materiales y el contexto socioeconómico:

¡La Edad de los Materiales!

- Los materiales de las nuevas tecnologías:

Biomateriales

Materiales a la carta: materiales compuestos

Materiales para el ahorro energético

- ¿Los materiales del futuro?

Indice

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Introducción

UCM feb2011

La fabricación de instrumentos y dispositivos requiere un perfecto conocimiento delas propiedades de los materiales con los que se fabrican así

como de las tecnologías

de conformado de los mismos

Prehomínido, -1.000.000

Propiedades Funcionalidad

El prehomínido no fabrica. El hombre fabrica instrumentos

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Introducción

UCM feb2011

Yali de Nueva Guinea, 1990

Propiedades Conformado Funcionalidad

La historia de la humanidad comienza con el conformado

de materiales

Edad de la Piedra o Paleolítico

Desde el 200.000 bc. se utilizan las excelentes propiedades del silex o cuarcita,que son cerámicas naturales, para fabricar instrumentos

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Introducción

Materiales de uso tecnológico

•

Metales•

Cerámicas y Vidrios

•

Materiales Compuestos•

Polímeros y Elastómeros

Relación entre la estructura del material yla de los átomos o moléculas que lo forman

UCM feb2011

El Homo Tecnologicus

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IntroducciónProcesado y conformado

Propiedades Mecánicas PropiedadesQímicas

Procesabilidad

Metales Rígidos, tenaces,dúctiles Corrosión térmica y química

Maleables: Conformado por deformación

C y V Duras, ligeras y frágiles Resistentes a la corrosión

Procesado de polvos

Límite elástico de varios materiales

Materiales de uso tecnológico

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Forja: Procesado por Deformación Plástica

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Sinterización, Procesado por difusión:Reduce la porosidad, incrementa la resistencia, la transparencia, la conductividad térmica…..

•

La fuerza impulsora para el sinterizado tiene su origen en la reducción de energía libre del sistema, ∆GT

,•

∆GT

= ∆Gv

+∆Ggb

+∆Ggs (Volumen, número de uniones, superficie libre de granos)

•

En particular la asociada a ∆Ggs

= s

∆Ags

, con s

la energía superficial.

Transición del ordenamiento atómico en el cuello y esquema del modelo de tres partículas con la definición del tamaño del cuello y los caminos posibles para los átomos durante las etapas iniciales de sinterizado.

alúmina sinterizada a 1.650 ºC durante 2 h

Transferencia de materia

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Introducción Fabricación de Cerámicas

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En términos de resistencia mecánica, conductividad, etc la magnitud relevante es X/d:

B depende de los coeficientes de difusión, kT, , etc. n>m (1-4). Pero: a la vez se produce un incremento de tamaño de grano:

dj=d0j+Kt con K= K0 (expQ/kT)

n

m

X B t=

d d

Objetivo: Conformar pastas con granos pequeños lo más densas posibles y hornear controlando temperatura y tiempos. Posibilidad de multicomponentes

Tamaño de polvos

CeO2

Nanopolvos por ruta química

Nano implica mejor sinterización y mejorespropiedades mecánicas

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Introducción Fabricación de Cerámicas

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Sinterización bajo presión

HP

HIP

Al2

O3

, ZrO2

(Y2

O3

), Si3

N4

, SiC, materiales compuestos (WC-Co, TiC-Fe y Al2

O3

-ZrO2

), compuestos intermetálicos y cerámicas electrónicas (BaTiO3

, SrTiO3

, Pb(Zr,Ti)O3

,ferritas, AlN

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Introducción Fabricación de Cerámicas

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Introducción Fabricación de pastas: Proceso tradicional hidroplástico

Polvo dePartida

PreparaciónSuspensiones

Colaje sobremolde poroso

Extraccióny secado

Sinterización

Polvo dePartida

PreparaciónSuspensiones

Colaje sobremolde poroso

Extraccióny secado

Sinterización

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Socioeconomía: La Edad de los Materiales

UCM feb2011

¡Procesamos 26.000 Mt de Materiales al año!

20.000 Mt son piedra, grava y arena para infraestructuras1.000 Mt de mena de hierro para fabricar 137 kg acero/persona y año700 Mt mena de oro1.000 Mt madera140 Mt fosfatos……………… Lester R. Brown, Eco-Economy: Building and Economy for the Earh. W.W. Northon (2001)

Los científicos y tecnólogos en materiales sabemos hacer materiales:Más ligeros y resistentesCon más nuevas funcionesMás procesables y ecológicosMás reciclablesPeroEl bajo precio de la energía ha permitido optar por la Obsolescencia Programada y la filosofía del Usar-Tirar puede limitar el interés en el desarrollo de nuevos materialesEsta opción crea empleo y favorece el crecimiento pero dificulta el desarrollo futuro

La Economía entra en conflicto con el ecosistema terrestre

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La Edad de los Materiales: Biomateriales

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Hasta dónde puede llegar la ciencia en la elaboración de prótesis, dispositivos y cementos óseos?

Implantes dentalesPrótesis de codo y de caderaPrótesis de barbilla y mandíbula, clavos para huesoArticulación de hombro, articulación de dedos de la manoMamoplastiaRiñones, hígado, páncreasMuñeca, placas de dedosPulmón, corazón, marcapasos, válvula cardiaca (Unas 125.000/año en USA)Discos intervertebralesVasos sanguíneosPrótesis de rodilla, varillas y clavos de fémur, EsfínterLigamentos, suturas, varillas y clavos de tibiaPrótesis de tobillo, articulación de dedos de pie, esófagoPiel, tendones, uretraTráquea, laringe

Son materiales que interaccionan con los sistemas biológicosDeben ser biocompatibles y no tóxicos

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Materiales Bioactivos

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En interacción con el medio biológico sufren transformaciones similares al material biológico

Caracterización del material biológico

Fabricación del material artificial y caracterización en uso

M. Vallet-Regí

& J.M. González-Calbet, Prog. Sol. Stat. Chem, 32 (2004) 1-31

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Materiales Compuestos

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Superan la fragilidad de los materiales componentestales como: Al2

O3

, SiC2

, Grafito….Fibra de vidrio tejida: Resistencia a tracción 3 x 109Pa

Acero 5 x 107

Pa Permiten diseñar materiales en función de las necesidadesen su utilización

Ej. Grafito-epoxi: efecto aditivo

14/03/2011 15ICMA25 2010

Nanocerámicas: Difusión

000200

020

CBEDCBED

Cu FCC

La primera película delgada nanoestructurada hecha por el hombre. Las cerámicas de lustre, tecnología del siglo IX.

J. Pérez-Arantegui, A. Larrea, et al. Appl. Phys. A, 79, 235 (2004)

14/03/2011 16ICMA25 2010

Cerámicas Nanotexturadas: Fusión

•Higher liquid viscosity

•Increasing number of componentsTernary eutectics

•Less

diffusion

•Smaller phase sizes

Growth by LFZ at 1200

mm/h rods> 1mm diameter

•YAG

•YAG

•YAG

•Gro

wth

dire

ctio

n

•Al2O3

•Al2O3

•YSZ

•YSZ

•YSZ

•YSZ

J. Llorca, V.M. Orera, Prog. Mat. Sci., 51,711 (2006)

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Fibras de alta T “ultraresistentes”

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PB Oliete et al. Adv. Mat (2007)

Resistencia mecánica mejor que la del acero!!!

Flexural strength of Al2

O3

-GdAlO3

-GdSZ barsas a function of the growth rate

100 150 200 250 300 350 400

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

(G

Pa)

V (mm/h)

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Cerámicas nanofibrilares de alta T dúctiles

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Excellent mechanical properties of eutectic oxides directionally solidified (>1500 ºC)

100 nm100 nm

Microstructure and Superplastic deformation of the oxide eutectic Al2O3-YAG-ZrO2 by

three-point bending at 1700 K (image in situ) in air at a cross-head speed of 1 mm/min.

J.Y. Pastor et al. 3rd

Directionally Solidified Eutectic Ceramics Workshop, 2009

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Materiales para la Energía

UCM feb2011

Desde que el Hombre descubre el fuego la utilización de energía ha estado íntimamente asociadaal desarrollo socioeconómico

0 2 4 6 8

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

Japón, Alemania, GB, FranciaEEUU

SueciaItalia

España

Brasil

ChinaIndia

PIB

($)/h

abita

nte

Energía (Toe)/habitante.año www.nationmaster.com

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Pero

UCM feb2011

El problema de los combustibles fósiles:

a) Escasez de recursos y alta concentración geopolítica de los yacimientos

b) Emisión de contaminantes: Efecto invernadero+

Muy baja eficiencia energética de los sistemas actuales

¡Obtenemos el 87.5%

del petróleo, carbón y gas natural!

¡Tenemos que asimilar que los recursos energéticos son finitos y que hay que buscar alternativas sostenibles!

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Soluciones Tecnológicas

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Incrementar el rendimiento de los motoresEn transporte de superficie la eficiencia < 25%. En USA de los 12 M barriles de petróleo diarios que se consumen solo se aprovechan 3 en generar movimiento

Sustituir los combustibles fósiles por otras fuentes de energía RenovablesUn LDV EURO4 arroja 12.8 kg de CO2 /100km. Gas natural- hidrógeno comprimido-PEMFC 8.3g/100km. (Zero Emission Vehicles)

Investigación en Materiales para la EnergíaFotovoltaicos, Células solares, SilicioBateriaes, Fuel Cells Materiales ultraligerosMateriales de Alta temperaturaMateriales para la Industria NuclearElectrocerámicos y materiales electroquímicosBiocombustibles

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Incrementar T de Trabajo: Materiales de Alta T

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•

Incrementar la temperatura de trabajo de las cerámicas 1200-1500ºC• Fibras y recubrimientos de alta T• Materiales masivos de alta T

Turbinas avanzadas: Materiales con mayor duración, menor conductividad térmica ,mayor estabilidad térmica y menor rugosidad superficialPara: Disminuir el mantenimiento y aumentar la eficiencia

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Recubrimientos cerámicos producidos por fusión

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YSZ/Al2O3

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Materiales Electrocerámicos

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Chemical Energy

Electrical Energy

Fuel CellsG = H - Q G = -n F U

g = G /H = n F E / H

0.8-0.95

SilenciosasEficientesModularesVersátiles...............Caras

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PEMFC

UCM feb2011

+

+ ++

+ ProtónH2O

-SO3-

+ +

+

1 nm

++

- Wide Channels ---

about 7 nm-Small -SO 3

- /-SO 3-

Nafion Ácido perfluorosulfónico quese comporta como un superácido muy resistente al oxígeno

Canales anchos 7nmPequeñas distancias SO3

-/SO3-

2º

European Hydrogen Energy Conf. Zaragoza 2005

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SOFC

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0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0-5

-4

-3

-2

-1

0

Rc = L/ = 0.15cm2

Ce0.9Gd

0.1O1.95

YSZ

0.15m

1.5m

1500 m

150 m

15m

Log

(S

cm

-1)

1000/T (K-1)

500ºC

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Solid Oxide Fuel Cells

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Transporte de carga por iones oxígeno

Es el sistema de producción de nergía más eficiente que se

conoce, 85% Flexibilidad de Combustibleo Resistencia termomecánica de los componenteso Envejecimiento

Electricidad Min 35% Potencia e iluminación

Calor Mx 55%

Agua caliente y Calefacción

Chimenea max 10 % %

Electricidad Venta/Compra

Gas 100%

Pila

M.A. Laguna-Bercero et al. Fuel Cells 2011

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Pilas soportadas en metal

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Los Materiales del Futuro

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• Nanoaerogeles

• Materiales Superhidrófobos

• Vidrios Metálicos

• Cerámicas transparentes

•Grafeno

•Composites de Nanotubos de C

•Diamante sintético

• Polímeros autoreparables

• Metamateriales

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Nano-aerogeles

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Son materiales con estructura interna monolítica y estructura de poros regularDescubiertos por Samuel Stephens Kistler (1931) a raíz de una apuestaSe hacen de SiO2

de carbono (1980s) y de alúminaLa menor densidad: SiO2

-1mg/cm3 y la menor conductividad térmica; 0.004 W/m.K.Punto de fusión 1200ºC.Los de Carbono muy alta superficie específica > 1000 m2/g

Procedimiento de fabricación:Secado supercrítico de geles

Aplicaciones:Materiales aislantesCatalizadoresFiltrosSupercondensadores

Espumas metálicas

Es un fenómeno presente en la naturaleza y a nivel celular relacionado con

el plegadode proteinas, superficies autolimpiables en insectos, flores...Se puede conseguir mediante recubrimientos con moléculas no polaresO micro-nano estructurando superficies, superficies heterogéneas. Pilares, nanopartículas. (Modelo Cassie-Baxter). La magnitud relevante es el ángulo de contacto >150ºLa escala de longitud 10 micras-1 micra

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Materiales superhidrófobos

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Procedimiento de fabricación:CVD, Sol-gelDeposición de partículas

Aplicaciones:Tejidos autolimpiablesParabrisasSuperficies antiescarchaBiotecnologíaContenedores, tubos, etc Hidrofobicidad sintonizableMembranas separadoras de gas

Gota en hoja de loto

Metales con estructura atómica desordenada. Liebermann y C. Graham (1976), MetGlass para transformadores eléctricos.Aleaciones con distinto tamaño atómico induce viscosidad en el fundido permitiendo técnicas de inyección en molde, etc. (Bulk Metallic Glasses)Más tenaces, menor conductividad térmica, ausencia de fronteras de grano, etc.Aleaciones de zirconio y paladio; lantano, aluminio y cobre. Se ha llegado a producie “acero amorfo”

(Oak Ridge, 2004)

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Vidrios Metálicos

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Procedimiento de fabricación:Enfriamiento rápido de fundidosMelt spinning, aleación mecánicaDaño por radiación…..

Aplicaciones:Materiales estructurales pero son frágilesFácil conformado: Equipos deportivos, Material médicoBiomateriales para implantesMetales con memoria de forma

Son materiales policristalinos transparentes. Tamaño de grano nano bastante menor que la longitud de onda de la luz.Al2

O3

, YAG, Nd:YAG, Y2

O3

:ThO2 Y2

O3

:La2

O3 con densidad 99.99%Materiales híbridos electrocerámicosSon menos frágiles que los monocristales e isótroposMas baratos de producirPueden presentar superplasticidad

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Cerámicas Transparentes

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Procedimiento de fabricación:HIP de nanopolvos por sol-gelSPS“In situ”

composites Laser

Growth

Aplicaciones:Láseres de potenciaHerramientas de corteVisores e infrarrojoArmaduras

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Cerámicas Transparentes

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Tamaños de fase pequeños producen cerámicas transparentes y “ultraduras”

producidas por desvitrificación de vidrios.

Vidrio de Al2

O3

-La2

O3

-ZrO2

recristalizado a 1300ºCA. Rosenflanz,

et al. Nature, 430 (2004)

Forma bidimensional alotrópica del Carbono, de espesor 1 átomo y empaquetado en forma panal de abeja. Es la estructura base para fullerenos 0D, nanotubos 1D, y grafito 3D y solo es estable para grandes dimensiones > 24.000 átomos. Es inestable frente a doblado, arrugado, etc.

Descrito por Hanns-Peter Boehm en 1962, Andre Geim y Konstantin Novoselov Nobel en 2010 al estabilizar la monocapa en un papel de ”cello”

y conseguir grafeno ”autosoportado”. Se puede ver con un microscopio óptico!

Hibridación sp2

produce un enlace

en el plano y un

semilleno, es un semimetal. En algunos puntos, la relación E-k de dispersión es lineal y las cuasipartículas en grafeno son fermiones de Dirac sin masa*. Todo ello causa una amplia panoplia de efectos ”inusuales”

a nivel microscópico.

Excelentes propiedades mecánicas

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Grafeno

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Procedimiento de fabricación:Exfoliación. “Dibujo al carboncillo”Crecimiento epitaxial en SiCCrecimiento en Ru, Ir. CVD en Ni

Aplicaciones:Materiales estructuralesSensoresNanocintas, semiconductores o metal dependiendo de como se cortan y de la anchuraTransistores reemplazando al Si?

* A.H. Castro Neto, F. Guinea, N.M.R. Peres, K.S. Novoselov, A.K. Geim, Rev. Mod. Phys. 81,109-155 (2009)

Los NTC son trozos de grafeno enrollados, fibras a escala molecular. El enlace sp2

es tan fuerte que tienen altísimo módulo de Young, 1 Tpa y resistencia a tracción de 63GPa. Transporte balístico de electrones importante en tecnología electrónica. Pueden ser metálicos o semiconductores dependiendo de la estructura y diámetro.Compuestos NTC-polímero, NTC-cerámica, NTC-metal*. Hay que trabajar la interfase NTC-

matriz y la dispersión de los NTC´s así

como prestar atención a las propiedades eléctricas y ópticas de los compuestos.

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Composites de Nanotubos de Carbono

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Procedimiento de fabricación:Dispersiones con NTC funcionalizadosFusión de termoplásticos, ExtrusiónPolimerización in situ partiendo de monómerosHIP de mezclas NTC-polvo cerámico (Al2O3, SiO2…)Extrusión NTC-AlAplicaciones:Pinturas eléctricasCerámicas conductorasMateriales estructurales en material de deporte y armaduras P.J.F. Harris, Int. Mat. Rev. 49,1,2004

El enlace sp3

del diamante le confiere una alta transparencia, dureza, conductividad térmica y estabilidad química. Tiene muy bajo coeficiente de dilatación térmica.El diamante nanocristalino, nPCD, es el material más duro conocido y el material con mejor conductividad térmica, 30 W/cm.K.Dopado con B o P se puede hacer que sea semiconductor tipo p o n

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Diamante sintético

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Procedimiento de fabricación:HPHT 5 GPa y 1500ºC, CVD, Detonación

Aplicaciones:Herramientas de corteAbrasivosRedes de difracción en sincrotrónTransistores de emisión de campo de alta potenciaLEDs para UV

Materiales con capacidad de reparar el daño producido por el uso sin intervención humana. No confundir con con los materiales que se reparan a base de introducir un estímulo externo: calor, luz, etc.Los mayores avances actuales están en polímeros y metales autocurables. Le técnica se basa en introducir microcápsulas de monómero o metal líquido, durante el proceso de fabricación que al romperse difunden el producto sobre la grieta donde se solidifica o polimeriza reparando el daño.

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Materiales autoreparables

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AplicacionesAsfaltosCementosComposites e híbridosMetalesPinturas y recubrimientosPolímeros estructurales

Univ. Michigan

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Metamateriales

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Son materiales artificiales diseñados para presentar propiedades EM que no se encuentran en la naturaleza. Se consiguen a base de construir microestructuras

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Materiales con índice de refracción negativo

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Materiales zurdos, <0, <o, n<0•Propagación hacia atrás: velocidad de fase y de grupo opuestas•Refracción negativa•Lentes planas•Lentes perfectas, con resolución menor que la longitud de onda

(reconstruyen las ondas propagantes y evanescentes)

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DSEC: Metamateriales

•3 m •1 m

•300 nm •1 m •3 m

Regular rod-like

Irregular rod-like

SpiralPhotonic Crystals

Plasmon tunable Chiral metamaterials

Regular Lamellar

Globular Interpenetrated-percolatedNegative refractive index

Invisible Materials

Giant dielectric constant

Geometrical forms + metal or semiconductor & dielectric, or ferroelectric New Electromagnetic Functionalities

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DSEC: Metamateriales, incrementar contraste

Matrix EtchingFibrous Eutectic

Metal Coating Polishing

Pilares de LiF obtenidos por etching de un eutéctico LiF/NaCl crecido mediante Bridgman

UCM feb2011

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Resumen

25.000 años

Stack de 2 celdas microtubularesfabricado en el ICMA

Cabeza de leona DVMoravia Cerámica de YBCO

ICMA-198723 años

Nanofibrosos

superplásticos

?

UCM feb2011

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Resumen

UCM feb2011

•

El desarrollo económico se basa en la adquisición de “Conocimiento”

•

El conocimiento de nuevos materiales están jugando un papel fundamental en los avances en medicina, energía, transporte….

•

Este conocimiento se fundamenta en la investigación básica y en la comprensión de la materia hasta sus niveles atómicos para poder proponer nuevas formas de conformado y procesado

•

De entre estas la microfabricación, autoensamblaje, autoreparación, etc se vislumbran como los grandes hitos del futuro próximo en el campo de los materiales

¡Gracias por su atención!