14/03/2011 UCM feb 2011 1
Materiales para el DesarrolloVictor M. OreraInstituto de Ciencia de Materiales de AragónCSIC-UZE-mail: [email protected]://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
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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
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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
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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
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¡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
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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
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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
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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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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
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+
+ ++
+ 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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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
UCM feb2011
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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
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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!
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