unidad vi química de materiales

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UNIVERSIDAD AUTONOMA DE AGUASCALIENTES CENTRO DE CIENCIAS BÁSICAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

ACADEMIA DE QUÍMICA

QUÍMICA DE MATERIALES

INGENIERO EN ROBÓTICA Semestre: 1° Periodo: Agosto-Diciembre de 2012.

LAQB ALEJANDRA MEDINA FIGUEROA

TAREA TERCER PARCIAL (ENTREGA DIA DE EXAMEN)

EQUIPOS (5 personas)

INVESTIGAR 5

MATERIALES

Metales

Cerámicas

Polímeros

Materiales

compuestos

Semiconductores

Biomateriales

Materiales de

nanoingenieria

Organometálicos

• Características generales del

material.

• Aplicación en Robótica

CONTENIDO

Portada

Introducción sobre

importancia de los materiales

en la Robótica.

Desarrollo de investigación

Discusión (Personal)

Conclusión (Personal)

Bibliografía

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«Ciencia que estudia las relaciones entre la estructura y las propiedades de los materiales, desarrolla procesos

de síntesis para la fabricación de materiales funcionales y estructurales, además evalúa las aplicaciones de los

materiales generados».

Área multidisciplinaria: química, física, biología e ingeniería

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Los materiales están formados por elementos, con una composición y estructura única y que

además, pueden ser usados con algún fin específico

Tienen una estructura determinada y única,…

¿Qué pasa si este acomodo cambia?

Deben de tener un uso específico, si no es así, entonces se les denomina únicamente sustancias.

Ejemplo: Agua (sustancia) y hielo (material)

BÁSICA Metales Cerámicas Polímeros

Materiales compuestos

AVANZADA Semiconductores Biomateriales

Materiales de la Nanoingeniería

Química de los organometálicos

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Gran número de electrones deslocalizados. Sólidos a TA (excepto Hg). Conductores de calor y electricidad. Tienen brillo característico.

Son resistentes

Deformables

Utilización en aplicaciones estructurales

Figura 1: Comportamiento metálico de los elementos químicos

• Metales reactivos aumenta de arriba hacia abajo.

• En los otros metales incluyendo a los de transición, aumenta de derecha

a izquierda.

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No se encuentran en la Naturaleza en estado puro (Au y Ag).

Forman minerales en combinación con otros elementos como O ó S.

EXTRACCIÓN DE LA GANGA

(mezcla de mineral con tierra, rocas e impurezas)

de los yacimientos

PRIMERA SELECCIÓN

eliminar las

impurezas y obtener el mineral limpio, o mena.

METALURGIA

Conjunto

de procesos para obtener el metal neto, con una

pureza de hasta 99,99%

AL

UM

INIO

• Metal de color claro y

brillante.

• Ligero

• Resistente a la corrosión.

• Muy blando (poca

resistencia mecánica).

• Buen conductor

térmico

• Moderado conductor eléctrico

CO

BR

E

•Metal de color rojizo.

•Blando.

•Buen conductor térmico y eléctrico.

•Se suele soldar

fácilmente con estaño.

•Baja resistencia mecánica.

ES

TA

ÑO

•Metal de color

blanco grisáceo.

•Blando y poco

resistente.

•Resistente a la

corrosión.

•Mal conductor eléctrico y térmico.

•Usado como hilo

para soldar.

PL

OM

O

•Metal pesado.

•Blando y de color

gris.

•Mal conductor térmico y eléctrico.

•Usado en tuberías,

material de soldadura

blanda.

•Baterías eléctricas.

HIE

RR

O

•Metal más abundante en la tierra.

•Metal duro de color

plateado.

•Alta resistencia mecánica.

•Mediocre conductor eléctrico y térmico.

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Figura 2: Clasificación de aleaciones férreas

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Aleaciones hierro-carbono con concentraciones apreciables de otros elementos aleantes.

Existen miles con distintas composiciones y/o tratamientos térmicos.

Las propiedades mecánicas dependen del contenido de C, < al 1%.

BAJOS EN CARBONO

Contiene < 0.25% C.

Son relativamente blancos y poco resistentes.

Extraordinaria ductilidad, tenacidad, soldables y baratos.

Utilizados: fabricar carrocerías de automóviles, vigas y láminas para construir tuberías, edificios, puentes y latas.

MEDIOS EN CARBONO

Contienen entre 0.25 y 0.6 % de C.

Son más resistentes que los aceros bajos en C, pero menos dúctiles y tenaces.

Utilizados: fabricar ruedas, rieles de trenes, engranajes, cigüeñales.

Poseen alta resistencia mecánica al desgaste y tenacidad.

ALTOS EN CARBONO

Contienen entre 0.60 y 1.4% C

Son más duros, resistentes y menos dúctiles que los otros aceros al C.

Contienen generalmente: cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno.

Utilizados: herramientas de corte y matrices para hechurar materiales, así como cuchillos, navajas, hojas de sierra, muelles e hilos de alta resistencia.

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Resisten la corrosión (herrumbre).

El Cromo es el principal elemento de aleación en [ ] mínima 11 %.

La resistencia a la corrosión mejora con adiciones de níquel y

molibdeno.

Base Cu

• Conductores de calor y electricidad.

• Forman parte de aparatos de medida eléctrica y barométrica.

• Ejemplos: bronce y aleaciones Cu-Be

Base Al

• Materiales ligeros, muy flexibles y de baja corrosión.

• Usados en enlatado de alimentos, manufactura de todo tipo de piezas (automóviles y aviones).

Base Ti

• Menos densas que el acero.

• Baja corrosión.

• Usados en industria aeronáutica y aeroespacial

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FUNDICIONES

Aleaciones base hierro [ c ] > 1,7%.

Tienen resistencia mecánica baja pero son inoxidables y no se

magnetizan.

LATÓN

Aleación base cobre y cinc.

Es inoxidable, buen conductor eléctrico, y poseen resistencia

mecánica.

Color amarillo claro similar al oro.

Usado en conexiones eléctricas.

BRONCE

Aleación de cobre y estaño.

Buen conductor, metal muy duro y resistente.

Usado en contactos eléctricos, aleado con silicio (conductividad) y fósforo (resistente)

DURALUMINIO

Aleación ligera base aluminio y cobre.

Propiedades: poco peso, resistencia a

Corrosión, dureza y resistencia mecánica cercanas al acero.

Utilizado para fabricar partes de motores de automóvil y

estructuras de aviación.

«Es una disciplina que combina todas aquellas actividades relacionados con el estudio, diseño, construcción, operación y

mantención de robots».

Combina diferentes disciplinas como Ingeniería Eléctrica, Ingeniería Electrónica, Ingeniería Mecánica, Ciencias de la Computación, Matemáticas, Física, Biología, Neurociencias, etc.

«Es un dispositivo reprogramable y multifuncional diseñado para existir en el mundo físico y que

autónomamente sensa su medio ambiente y actúa sobre él»

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Importancia.

Aplicación.

Formando parte de un robot.

Compuestos químicos sólidos inorgánicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos.

Características:

Debido a sus enlaces iónicos y covalentes: Son duros, frágiles. Baja conductividad eléctrica y térmica. Son buenos aislantes , debido a la falta de electrones conductores. A T° ↑ y ambientes agresivos: más resistentes que metales y polímeros.

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TR

AD

ICIO

NA

LE

S

Productos usuales:

Cerámicas de mesa, pavimentos y revestimientos

Sanitarios

Refractarios

Porcelanas (aislantes decorativas).

CE

RÁ

MIC

AS

T

ÉC

NIC

AS

Tecnologías donde se aplican:

Aeroespacial : ligeros, resistencia mecánica y térmica

(motores, aviones, revestimientos de lanzadera

espacial).

Automatismo : Sensores, componentes de alta

temperatura

Óptica/Fotónica : Fibras ópticas, amplificadores laser,

lentes.

Electrónica : Condensadores, sustratos de circuito integrado,

aislantes.

Energía : Celdas de combustible sólidas, combustible nuclear

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Electrónica

Magnetismo

Óptica Energía

refractaria.

Blindajes

FUNCIÓN APLICACIÓN

ELÉCTRICOS Óxidos conductores Súper conductores.

Aisladores Electroópticos

MAGNÉTICOS Tarjetas de crédito Ferrofluidos

Inductores Imanes

ÓPTICOS Fibras ópticas Vidrios

Láser Iluminación

AUTOMOTRIZ Sensores de oxígeno.

Celdas de combustible

QUÍMICO Catalizador Filtración de aire y líquidos

Sensores Pinturas

BIOMÉDICOS Prótesis

Odontológicos

OTROS Sensores

Materiales para procesamiento de metales

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MATERIAL USO

Nitruro de silicio (Si3N4) Polvo abrasivo

Carburo de boro (B4C) Helicópteros y cubiertas de tanques

Carburo de silicio (SiC) Hornos microondas, en abrasivos y como

material refractario

Diboruro de magnesio (MgB2), Es un superconductor no convencional.

Ferrita (Fe3O4) Utilizado en núcleos de transformadores

magnéticos y en núcleos de memorias

magnéticas.

Esteatita Utilizada como un aislante eléctrico.

Óxido de itrio, bario y

cobre (YBa2Cu3O7),

Superconductor de alta temperatura.

Importancia.

Aplicación.


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Compuestos orgánicos, basados en C, H y otros elementos no metálicos.

Características:

Materiales que van desde los plásticos al caucho. Gran longitud de las estructuras moleculares. Poseen densidades bajas Extraordinaria flexibilidad

Los Materiales poliméricos están basados en grandes moléculas con enlaces covalentes y formados por la unión de muchas unidades simples (monómero).

Sus antecesores se puede considerar que son las macromoléculas presentes en organismos, y se pueden enumerar ejemplos como el caucho, lana, algodón, etc.

Biomoléculas/biopolímeros (naturales) son los ácidos nucleicos, proteínas, lípidos y polisacáridos.

Las unidades de construcción de esos polímeros naturales son los nucleótidos, aminoácidos, ácidos grasos y los azúcares.

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Figura 1: Clasificación de polímeros

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Figura 2: Estructura de diferentes polímeros

Las aplicaciones de los polímeros son muy amplias y por ende siguen la siguiente clasificación para su estudio.

POLÍMEROS

Termoplásticos

Elastómeros Plásticos

termoestables

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POLIMERO CARACTERISTICAS APLICACIONES

POLIETANO (PE)

Químicamente resistente, Eléctricamente aislante, Blandos, Baja

resistencia mecánica, Poca resistencia a degradación medioambiental.

Contenedores, aislante eléctrico,

artículos para el hogar, botellas, juguetes

CLORURO DE POLIVINILO (PVC)

Baratos

Tuberías y canalones, Tapizados de muebles y coches. Revestimiento de

cables eléctricos.

POLIPROPILENO (PP)

Resistencia a la distorsión térmica. Químicamente inerte Relativamente barato

Productos para el hogar Partes de coches

Electrodomésticos, Botellas

POLIESTIRENO (PS)

Excelentes propiedades eléctricas Buena estabilidad térmica Relativamente económico

Recubrimiento de interior de automóviles, Aislantes térmicos Utensilios de cocina en general

POLICARBONATOS

(PC)

Extraordinaria resistencia química Gran resistencia al impacto y alta

ductilidad

Pantallas de seguridad, Cascos , Engranajes, CD, Equipamiento luminoso

para tráfico

POLIACRILONITRILO

(PAN)

Extraordinaria transmisión de la luz, Gran resistencia a la degradación

ambiental, Propiedades mecánicas mediocres

Ventanas de avión


POLIESTERES

Excelentes propiedades eléctricas Baratos

Neumáticos, resinas de envase, conectores,

enchufes.

POLIURETANO

Buena estabilidad térmica

Suelas de zapatos, partes de coches, fibras,

espumas.

RESINAS EPOXI

Excelentes propiedades

mecánicas y resistencia a la corrosión

Encapsulamiento de materiales

semiconductores, recubrimiento de

neumáticos.

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CAUCHO NATURAL (cis-poliisopreno)

Alta resistencia al desgaste Neumáticos para coches

CAUCHO ESTIRENO-BUTADIENO (SBR)

Caucho sintético más importante. Muy alta resistencia al desgaste.

Pueden absorber disolventes orgánicos (aceite-gasolina)

Neumáticos

CAUCHO DE NITRILO (NBR)

Alta resistencia, pero más caros

Mangueras para distribución de gasolina y

aceite.

CAUCHO DE POLICLOROPRENO

(NEOPRENO)

Resistencia a degradación medio ambiental, resistencia a la llama.

Recubrimiento de cables, tanques para productos

químicos.

CAUCHO DE SILILICONA

Resistencia a la temperatura, poca resistencia mecánica, excelentes propiedades aislantes

Aislantes eléctricos

Conocidos como gomas por su capacidad de sufrir un gran alargamiento elástico que se

recupera si cesa el esfuerzo

Como adhesivos o pegamentos.

Hay varios tipos de adhesivos que se pueden elegir en función de la

temperatura de trabajo, tiempo de curado, resistencia que se requiere, etc.

Mezcla de varios polímeros para mejorar las propiedades las cuales se combinan y se rebajan los costos de producción

ABS/PC, ABS/PVC, PC/PE, PC/PBT o PBT/PET.

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Importancia.

Aplicación.


Resultado de la combinación de dos tipos de materiales:

Metal-metal, metal-cerámico, metal-polímero, polímero-

cerámico, polímero-polímero y cerámico-cerámico.

Se encuentran en diferente porcentaje, la fase que se

encuentra en mayor proporción la matriz o fase continua, mientras

que la fase que se de menor proporción se le denomina refuerzo o fase discontinúa.

Figura 1: Esquema de un material compuesto en donde se identifica n la

matriz y refuerzo.

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•Fase continua en la que el refuerzo queda

“embebido”.

•Materiales metálicos, cerámicos o resinas

orgánicas cumplen con este papel.

•No es tan rígido ni tan resistente como el

material de refuerzo.

QUE ES?

•Definir las propiedades físicas y químicas.

•Transmitir las cargas al refuerzo.

•Protegerlo y brindarle cohesión.

•Control principal de las propiedades eléctricas,

comportamiento químico y el uso a temperaturas

elevadas.

FUNCIONES •Soporta las fibras manteniéndolas en su posición correcta.

•Transfiere la carga a las fibras fuertes.

•Las protege de sufrir daños durante su manufactura y uso.

•Evita propagación de grietas e las firas

PROPIEDADES

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•Fase discontinua (dispersa) que se agrega a la matriz

para conferir al compuesto alguna propiedad que esta

no posee.

QUE ES?

• Incrementa la resistencia y rigidez

mecánicas

•Mejora el comportamiento a

altas temperaturas o la resistencia a la

abrasión

FUNCIONES

•Fibra de vidrio: brinda una extraordinaria fuerza y resistencia al impacto.

•Fibra de carbono: muy utilizado en la industria aeronáutica para disminuir peso de aviones (elevado costo).

•Fibras orgánicas: ropa de protección, chalecos antibalas, productos de fricción, reforzamiento de elastómeros. Cables, cuerdas y telas de velas de barcos.

•Fibras naturales: económicas y mejor impacto medioambiental.

EJEMPLOS

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• Región de contacto entre la matriz y el

refuerzo.

QUE ES?

• Si es débil, la transferencia de carga

de la matriz al refuerzo no será

eficiente, y producirá rotura de la pieza.

CARACTERISTICAS

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reforzados con partículas

Grandes

Interacción entre la matriz y las partículas a un nivel

macroscópico.

Ejemplo: Hormigón

Partículas: arena o grava

Matriz: cerámica compuesto por silicatos y aluminatos

hidratados.

Consolidados por dispersión Las partículas poseen de 10 a

250 nm de diámetro.

Ejemplos: contactos eléctricos, rejillas para baterías,

filamentos de calentadores.

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Mejor resistencia a la fatiga

Mejor rigidez

Mejor relación resistencia-peso, al incorporar fibras resistentes y rígidas

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Compuestos estructurales

Laminares

Paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo u otra

unión.

Generalmente cada lámina está reforzada con fibras.

Ejemplos: madera contrapada.

Sándwich Dos láminas exteriores de

elevada dureza y resistencia (plásticos reforzados, aluminio

o titanio), separados por un material denso y menos

resistente (polímeros, cauchos sintéticos…)

Usados en construcción, industria eronautica.

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Importancia.

Aplicación.


AVANZADA Semiconductores

Biomateriales Materiales de la Nanoingeniería

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Tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes eléctricos.

Todos los semiconductores se caracterizan porque en su capa de valencia de su estructura atómica poseen cuatro

electrones.

Posibilitan la fabricación de los circuitos integrados que han revolucionado, en las últimas décadas, las industrias

electrónica y de ordenadores.

• Se comportan de esta forma al estar expuestos a bajas temperaturas.

AISLANTES

• Se comportan de esta forma al estar expuestos a altas temperaturas.

CONDUCTORES

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CLASIFICACIÓN DE SEMICONDUCTORES

Semiconductores intrínsecos

El comportamiento eléctricos se basa en la estructura electrónica del material

puro

Semiconductores extrínsecos

Cuando las características eléctricas están determinadas por átomos de

impureza

QU

E E

S?

??

Es un semiconductor puro.

A T°A se comporta como un aislante porque solo tiene

unos pocos electrones libres y huecos

debidos a la energía térmica.

CA

RA

CT

ER

IST

ICA

Hay flujos de electrones y huecos, aunque la

corriente total resultante sea cero.

Hay tanto electrones libres y huecos por pares,

por lo tanto hay electrones libres como

huecos con lo que la corriente total es cero.

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Forman estructuras cristalinas

↑ T°, algún enlace covalente

se rompe y queda libre un e- para moverse en

la estructura cristalina

No permite el movimiento

de e- a través de sus bandas

de energía

T°A, el semiconductor

es aislante… todos los e-

están formando enlaces

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Impurezas = dopantes.

Tendremos semiconductores dopados tipo p o

tipo n

Objetivo de dopaje: modificar su

comportamiento eléctrico al alterar la densidad de

portadores de carga libre

Formados al añadir pequeñas

cantidades de impurezas

Semiconductores dopados (Silicio)

Tipo p

Elementos del grupo IIIA

Tipo n

Elementos del grupo VA

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Tipo n

Tipo p

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Silicio (Si)

Resistividad eléctrica a T°A, es intermedia entre la de los

metales y los aislantes

Conductividad, controlada agregando pequeñas cantidades

de impurezas

Usado para hacer los núcleos de los transformadores eléctricos

(acero).

Dióxido de silicio usado en todos los transitores

Germanio (Ge)

Buena resistencia y conductividad térmica y

eléctrica

Usado en diodos emisores de luz

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Importancia.

Aplicación.


“Instrumento, aparato, implemento, máquina, implante, reactivo in vitro u otro artículo similar o relacionado, incluyendo un componente, parte, o

accesorio lo cual es reconocido por la FDA, o cualquier suplemento para ellos, destinado para el

uso en el diagnóstico de enfermedades u otras condiciones, o en la cura, mitigación, tratamiento o prevención de enfermedades, en el hombre u otros animales, o destinado para afectar la estructura o

cualquier función del cuerpo humano o de animales, y el que no alcanza alguno de sus propósitos

primarios a través de la acción química dentro del cuerpo del hombre o animales y el que no es

dependiente de ser metabolizado para el logro de cualquiera de sus propósitos primarios”

FDA (Food and Drug Administration EEUU)

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Aquellos que cumplen con una función específica en los sistemas modernos, eléctricos, electrónicos, ópticos, mecánicos, sensores y

también en el cuerpo humano.

Los biomateriales son, por excelencia, materiales funcionales.

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Cualquier material que tiene una aplicación biomédica.

Aplicación Uso Material

Biomaterial

Terapéutico

Tratamiento de una lesión

Tratamiento de una enfermedad

Diagnóstico

Parte de un sistema para identificar una enfermedad

Biocompatible

No tóxico

No carcinógeno

Químicamente estable

Tener resistencia mecánica adecuada

Tiempo de fatiga

adecuado.

Tener densidad y peso

adecuados

Diseño de ingeniería perfecto.

Barato

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BIOTOLERADOS

Son tolerados por el huésped

BIOINERTES

No desencadenan una respuesta local en el huésped

BIOACTIVOS

Aquellos que inducen una respuesta deseada en el huésped

BIOMATERIALES

ARTIFICIALES O BIOMÉDICOS

Metales

Cerámicas

Polímeros


NATURALES O BIOLÓGICOS

Proteínas

Polisacáridos

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BIOMATERIALES

Remplazo de partes dañadas,

enfermas o faltantes

Asistir en cicatrizaciones y

curaciones

Correcciones estéticas.

Para mejorar funciones:

Marcapasos, lentes de contacto, etc.

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Importancia.

Aplicación.


El prefijo nano quiere decir 10-9 es decir, una milmillonésima

(0.000000001) parte.

Un nanómetro (nm) es una milmillonésima parte de un metro

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Diseño, fabricación y aplicación de nanoestructuras o nanomateriales y el conocimiento de las relaciones entre las propiedades o fenómenos físicos y las

dimensiones del material.

Hace referencia a las actividades científicas y tecnológicas llevadas a cabo a escala atómica y molecular, a los principios científicos y a las nuevas propiedades que pueden

comprenderse y controlarse cuando se interviene a dicha escala.

Se consideran dos vías de trabajo: 1. Miniaturización de los microsistemas = enfoque de arriba abajo o top-down. 2. Imitar a la naturaleza, desarrollo de estructuras a partir de niveles atómicos

y molecular = enfoque de abajo arriba o bottom-up.

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Nanotecnología

Ciencia de los

materiales

Medicina

Producción y almacenamiento

de energía

Tecnologías de la

información

Industria alimenticia

Fabricación de instrumentos a

escala nanométrica

Acceder a nanoestructuras de fases metaestables con propiedades tales como superconductividad o magnetismo.

Creación de instrumentos miniaturizados: sensores biológicos que alerten de enfermedades en estadios tempranos.

Nanorobots: que puedan reparar un daño interno y remover toxinas de nuestro organismo.

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Son una nueva clase de materiales (sean cerámicos, metales, semiconductores, polímeros o materiales compuestos)

Por lo menos una de sus dimensiones se encuentra entre 1 y 100 n.

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Poseen características superiores a los materiales tradicionales.

Puede ser cualquier combinación de elementos químicos.

NANOMATERIALES

Carburos

Óxidos

Nitruros

Metales y sus aleaciones

Polímeros orgánicos


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Nanocomuestos

• Creados introduciendo en bajo porcentaje, nanopartículas en un material base llamado matriz.

• Ejemplo: nanopolímeros (usados para relleno de grietas en estructuras afectadas por sismos)

Nanopartículas

• Partículas menores a los 100 nm.

• ejemplos: nanopartículas de silicato y metálicas (usadas en nanocompuestos poliméricos)

Nanotubos

• Estructuras tubulares (diámmetro nanométrico).

• Los más conocidos son los de silicio y los de carbono.

Materiales

nanoporosos

• Principalmente de sílica y alúmina.

• Usados para captura de elementos tóxicos ambientales.

Nanocapas

• Recubrimientos con espesores de nanoescala.

• Usados en barnices, lubricantes o para endurecer compuestos frágiles

• Como protección ante la corrosión.

Nanoestructuras biológicas

• Materiales biomédicos a escala nanométrica.

• Ejemplos: polímeros usados como base para el crecimiento de la piel y gomas antimicrobianas.

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Importancia.

Aplicación.


Estudia la síntesis, estructura y reactividad de los compuestos moleculares de elementos metálicos que contienen al menos un

enlace directo de metal-carbono.

Metal: no solo elementos metálicos clásicos (alcalinos, alcalino-térreos y elementos de transición d y f), sino tambíen metaloides.

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Compuestos con enlaces entre metal-carbono. Tales sustancias no existen en la naturaleza y deben sintetizarse.

Los metales implicados son los de los grupos principales y los de las series de transición.

Recientemente se ha estudiado la química organometálica de los metales lantánidos y actínidos.

Interacción de moléculas orgánicas con elementos

metálicos

Alteración profunda de la estructura y propiedades químicas del mismo

Promoción de transformaciones que no se llevarían a cabo en ausencia del

metal.

Química Bioorganometálica.

Las moléculas organometálicas pueden mostrar actividad biológica y ser útiles como drogas terapéuticas.

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MATERIAL APLICACIÓN

Tetraetilplomo y Tetrametilplomo

Se añaden a la gasolina como “antidetonantes” para mejorar su calidad

como carburante.

Organoboranos Carburantes para propulsión a chorro

Trialquilaluminio y Fenilsodio Catalizadores en la síntesis polímeros

Organoestaño Establilizadores para los plásticos de vinilo.

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Importancia.

Aplicación.


unidad vi química de materiales

Health & Medicine