MATERIALS

OBJECTES

TECNOLOGIA

Ciències per al món contemporani1r Batxillerat

• L’ evolució de les necessitats de la humanitat ha originat la recerca de materials més adequats per fabricar els productes que calen per la supervivència de la espècie.

• El desenvolupament de la humanitat ha estat condicionat en gran part pel descobriment i la utilització dels materials que ha fet servir: el coure i el ferro foren decisius per al progrés en les primeres etapes de la humanitat. Els plàstics, la fibra de vidre, els semiconductors o els minerals estratègics són els que marquen el desevolupament del món actual.

• L’evolució en els materials representa un canvi en la manera de fabricar els objectes: les eines i els productes, la qual cosa origina també l’aparició de materials nous que abans no sols no es podien fabricar sinó que no existien en la imaginació

No hi havia res que pogués preveure la gran explosió de materials nous que estan apareixen des del principi

del s. XX

1. La humanitat i l´ús dels materials

MATERIALS, OBJECTES I TECNOLOGIA

1. La humanitat i l’ús dels materials

2. Els materials

3. Els nous materials

4. Noves tecnologies: La nanotecnologia

1. LA HUMANITAT I L’ÚS DELS MATERIALS

• La història de la humanitat ha estat vinculada a l’ús dels materials. Sovint per estudiar-la, la dividim en períodes i al·ludim als materials:

L’Edat de Pedra L’Edat del Bronze L’Edat del Ferro

Però quines característiques ha de tenir un període per a ser denominat “Edat de ...” ?

Edat de … ?• Es produeix un canvi important en les activitats humanes

• Va acompanyat d’avenços tecnològics

• Hi ha notables canvis en la estructura social

• Es modifiquen les formes de vida i la forma en què els éssers humans es relacionen amb el medi

• Actualment podem parlar de:

Edat de l’Acer Edat dels Plàstics Edat del Silici

• Des de d’edat de pedra fins a l’actualitat, l’ésser humà ha transformat materials procedents de la natura en productes per al seu ús quotidià. El procés de transformació és, doncs, tan antic com la humanitat.

• El procés de transformació s’inicia extraient el material del medi natural i s’utilitza després d’unes quantes transformacions. La capacitat de transformar els materials s’ha anat incrementant al llarg de la història.

• La tecnologia actual permet seguir un procés diferent: avui en dia s’ha arribat a la capacitat de dissenyar o

crear materials nous amb propietats determinades per a finalitats molt específiques.

• Al llarg del s. XX, el desenvolupament econòmic va portar noves necessitats. La societat de consum fa que avui en dia ningú pugui prescindir de molts aparells electrònics per a la comunicació, el transport o diverses tasques domèstiques.

• El confort, la crisi del petroli i la disminució dels recursos del planeta han afavorit la investigació per aconseguir nous productes:

envasos biodegradables pantalles planes i extraplanes motors que consumeixen menys materials biocompatibles per a implants circuits cada cop més petits i més complexos teixits que no es mullen ni es taquen telèfons mòbils amb infinites aplicacions materials més resistents i lleugers, etc.

• D’aquí la importància de trobar nous materials que puguin reemplaçar els actuals, amb millors propietats i que requereixin processos menys contaminants per a la seva transformació i que a més siguin reciclables.

DONAR RESPOSTES A NOVES NECESSITATS

ALGUNS EXEMPLES

• El desenvolupament científico-tecnològic i l’aparició de noves necessitats es fan patents en diferents disciplines:

Tecnologia aeronàutica i aeroespacial Medicina Electrònica Transport Tecnologies de la informació i de les comunicacions Construcció Indústria tèxtil Esports

Tecnologia AERONÀUTICA i AEROESPACIAL

• El progrés de l’aviació comercial, la militar i els vols espacials són un repte permanent per a científics i enginyers.

• Materials ceràmics molt resistents al calor (ceràmiques avançades)

• Materials compostos (compòsits) resistents i lleugers a temperatures elevades

• Materials resistents a la corrosió

• Les aeronaus fabricades amb materials compostos poden reduir notablement el pes de la nau de manera que es pot reduir el consum de combustible i allargar els trajectes de les aeronaus Transbordador

Discovery

MEDICINA

• Cargols que subjectin ossos trencats i que no s’oxidin o es descomponguin• Pròtesis

• Implants

• Substituts de vasos sanguinis que es deterioren o s’obstrueixen (polímer derivat del tefló)

• Substitució del cristal·lí opac de l’ull (cataractes) amb una lent d’un material derivat del metacrilat

ELECTRÒNICA• El desenvolupament del coneixement de les

propietats d’un nou material, el silici, origina el descobriment i l’ús dels semiconductors i inicia la gran revolució tecnològica de la segona meitat del s. XX.

• Les diferents combinacions de semiconductors permeten la fabricació de components electrònics com són els diodes, LEDs, transistors, termistors, portes lògiques, xips, memóries, etc.

• Actualment recerca en materials substituts del silici (materials orgànics amb les propietats del silici)

Referència: CCMC Madrid Aproximaciones didácticas Unidad 5: LA ERA DEL SILICIO p. 233.

Article El País Ciberpaís.pdf “Llega el chip de grafeno” 300409

CONSTRUCCIÓ

• Materials molt resistents (terratrèmols) • Aïllants tèrmics i acústics• Eficiència energètica dels edificis• Compòsits per reforçar el formigó• Ceràmiques per fabricar sanitaris que no es mullen• Evitar la corrosió en exteriors

2. ELS MATERIALS

• Els materials són les substàncies que componen els objectes que ens envolten

• Cada material té unes propietats físiques, químiques i mecàniques que el fan més adequat per a un ús determinat.

• La manipulació dels materials és un procés molt complex que implica comprendre les seves propietats.

PROPIETATS

MECÀNIQUES

ELECTROMAGNÈTIQUES

TÈRMIQUES

ÒPTIQUES

QUÍMIQUES

ACÚSTIQUES

• Aquestes propietats es poden classificar en:

PROPIETATS MECÀNIQUES

DENSITAT

DURESA: El diamant és el material més dur que es coneix. S’utilitza en màquines abrassives, perforadores i de tall.

TENACITAT: L’acer és molt tenaç, suporta cops sense trencar-se. S’utilitza en eines.

DUCTILITAT: Els metalls són molt dúctils i es poden produir fils molt fins.

MAL·LEABILITAT: L’alumini com molts altres metalls es força mal·leable, se’n poden fer làmines molt fines.

ELASTICITAT: La fibra de carboni és molt flexible: permet construir objectes capaços d’aguantar forces grans sense trencar-se

PLASTICITAT: El material que forma la plastilina es pot modelar fàcilment sense que es trenqui

RESISTÈNCIA: a la compressió, a la tracció, a la torsió i a la flexió

PROPIETATS ELECTROMAGNÈTIQUES

Propietats elèctriques:

El coure s’utilitza en els fils conductors perquè condueix molt bé l’electricitat i dissipa poca energia. La plata és molt més bona conductora però és bastant més cara.

Propietats magnètiques:

L’agulla de les bruixoles és magnètica se sent atreta per un imant (Terra).

PROPIETATS TÈRMIQUES

TEMPERATURA DE FUSIÓ: el wolframi s’utilitza en el filament de les bombetes per la seva elevada temperatura de fusió.

CONDUCTIVITAT TÈRMICA: la baquelita condueix molt malament el calor, és un bon aïllant tèrmic, per això s’utilitza en els mànecs dels estris de cuina.

CAPACITAT DE DILATACIÓ:En molts termostats s’empren dues làmines de metalls que es dilaten de manera diferent quan s’escalfen

CALOR ESPECÍFIC: Els plats de terrissa, gràcies a la seva calor específica elevada, conserven el menjar calent durant més temps.

PROPIETATS ÒPTIQUES

ÒPTIQUES

COLOR

TRANSPARÈNCIA

REFLEXIBILITAT

ÍNDEX DEREFRACCIÓ

BRILLANTOR

FLUORESCÈNCIA

POLARITZACIÓDE LA LLUM

La FIBRA DE VIDRE és molt transparent: la llum pot viatjar a través d’aquest material molts km sense atenuar-se. S’utilitza en comunicacions.

El PLÀSTIC utilitzat en senyals viaris o en armilles de seguretat reflecteix molt bé la llum.

En persones amb moltes diòptries, per no augmentar molt el gruix de les lents s’utilitzen “vidres” amb ÍNDEX DE REFRACCIÓ més alts

Els CRISTALLS LÍQUIDS deixen passar o no una part de la llum segons si estan sotmesos o no a un corrent elèctric. Així es formen els caràcters llegibles a les pantalles de calculadores.

Les parets de les LÀMPADES FLUORESCENTS reemeten la llum quan hi incideix la llum ultraviolada

Característiques dels materials: actualment han de complir les següents condicions:

Propietats que siguin les adients pel seu ús

“Competitius” : Procés de transformació viable i competitiu. No generin residus en el procés de transformació.

“Sostenibles”: Reciclables fàcilment i amb menys consum energètic i sense contaminar el medi ambient

http://www.upc.edu/enclauupc/plastics-biodegradables

La Ciència i Enginyeria de materials és la disciplina que s’ocupa de l’estudi de l’estructura, les propietats i el comportament dels materials

CLASSIFICACIÓ DELS MATERIALS• Els materials es classifiquen en els següents grups:

MATERIALS

METALLS I

ALIATGESPOLÍMERS CERÀMICS COMPOSTOS

FÈRRICS

NO FÈRRICS

TERMOPLÀSTICS

TERMOESTABLES

MATRIU

REFORÇAcers

Fosses

Metalls pesants

Aliatges lleugers

ELASTÒMERS

VIDRES

VITROCERÀMIQUES

ARGILES

REFRACTARIS

ABRASIUS

CIMENTS

CERÀMIQUESAVANÇADES

ALIATGES FÈRRICS (Fe principal component de la mescla)

Segons el percentatge de carboni es classifiquen en: Ferro: pur quan el contingut de carboni és < 0,03%

poques aplicacions industrials degut a l’escassa resistència mecànica i a fàcil corrosió Acers: aliatge de ferro i carboni (prop. carboni és del 0,03% a l’1,75%)

Admet forja i tractaments tèrmics per modificar les propietats mecàniques sense canvi de composició química (tremp, recuita, normalitzat i reveniment) Es classifiquen en

Acers al carboni: Fe i C i poden contenir petites quantitats d’altres elements metàl·lics i no metàl·lics

Acers aliats: Fe i C i quantitats apreciables de metalls com Ni, Cr, Mb entre d’altres. L’addició d’aquest elements millora les props. Mecàniques, com l’acer inoxidable amb un 11% de Cr que dóna gran resistència a la corrosió

Fosses: aliatges de Fe i C (2,5% - 5% de C i entre 0,5% - 3% de Si) No admeten forja, però fàcilment emmotllables ja que tenen una temperatura de fusió entre 1150ºC i 1300ºC

METALLS I ALIATGES NO FÈRRICS (no contenen Fe)

El coure i els seus aliatges: El Cu é un excel·lent conductor i presenta una molt bona resistència a la corrosió. En aliatges millora la resistència mecànica i la resistència a la corrosió, per exemples: Llautó: Cu-Zn, Bronze: Cu-Sn

Aliatges de Ni, Co i superaliatges: resistents a temperatures elevades i excel·lent resistència a la corrosió. Els superaliatges estan formats per Ni i Co, que confereixen una gran resistència mecànica a temperatures elevades, i bona resistència a la corrosió.

Aliatges lleugers: aliatges de baixa densitat. Són d’Al, de Mg, de Ti i d’altres. Per la baixa densitat, la bona resistència mecànica i la resistència a la corrosió s’utilitzen en aplicacions aeroespacials i aeronàutiques.

Els aliatges de Ti a més són dúctils i biocompatibles pel que s’usen en aplicacions mèdiques (pròtesis).

• Unió de monòmers: substàncies d’origen orgànic formades principalment per C i H, i formen llargues cadenes d’elevat pes molecular. Tenen una densitat i una temperatura de fusió baixes

• Materials recents (pricipis del s. XX) i que més repercusions han tingut i tenen en la societat.

• S’obtenen del petroli

• Entre els polímers hi ha:

Plàstics: moltes aplicacions degut a la gran facilitat per donar-los la forma que més convingui (plasticitat)

Cautxú o goma natural: derivat d’un hidrocarbur que s’obté del làtex de l’arbre de cautxú. Aplicació: pneumàtics de cotxe després de l’addició de sofre (vulcanització)

Silicona: polímer de silici, inert i estable a altes temperatures. Aplicació: lubricants, impermeabilitzants, adhesius, i en medicina per fabricar: lents de contacte, vàlvules cardíaques i implants mamaris

POLÍMERS

Classificació dels plàstics: Nom Abreviatura Usos Propietats

Tereftalat de polietilè

PET / PETE Ampolles de gasosa, refrescosMylar

Baix costProcessament per bufament, injecció o extrusióExcel·lents propietats mecàniquesActua com a barrera davant dels gasos

Polietilè d’alta densitat

PEAD / HDPE Recipients per a menjarAmpolles de detergentAmpolles de lletPròtesis d’articulacions

Molt resistent davant la compressió, la tracció i la tensióResisteix temperatures baixesMolt lleuger

Policlorur de vinil

PVC CanonadesSenyalitzacióFinestres

Molt resistent i lleugerMolt versàtilInert (aplic. sanitàries)Es pot reciclar

Polietilè d’alta densitat

PEDB / LDPE SafatesBosses d’escombrariesCapses de plàstic touAnelles de transport de les llaunes de refresc

Cost baixFlexible, transparent i lleugerNo és tòxicImpermeableFàcil de processar

Polipropilè PP Aïllant de cables elèctricsCarpetesBijuteria

LleugerResistentTransparentResisteix temperatures altes sense degradar-se

Poliestirè PS Escuma de poliestirè expandit (suro blanc), embalatgesConstrucció

Cost baixBon aïllant tèrmic i elèctricOpac i transparentDensitat molt baixa

Classificació dels polímers:• Naturals: cotó, seda, llana

• Sintètics: amb gran resistència mecànica, baixa densitat, gran flexibilitat, aïllants tèrmics.

Termoplàstics: plàstics en escalfar-los i poden ser conformats per fusió i solidificació en un motlle. Reciclables.

Ex: polietilè (PE), poliestirè (PS), metacrilat (PMMA), policlorur de vinil (PVC), tefló o politetrafluoretilè (PTFE), niló, poliamida.

Termoestables: més resistents i fràgils, no reciclables Ex: reines fenòliques dels adhesius, poliurees d’estris de cuina,

poliuretans en fibres i escumes, silicones per adhesius i segelladors.

Elastòmers: es deformen en ser sotmesos a pressió i recuperen la forma en cessar la pressió.

Ex: catxú, silicona, polibutàdiè, policloroprè

CERÀMIQUES• Materials no orgànics ni metàl·lics• Molt fràgils, presenten bona conductivitat tèrmica i conductivitat elèctrica molt

baixa, són durs i poc dúctils, amb temperatures de fusió molt elevades i bona estabilitat química.

• Es comporten millor que els metalls i els polímers a altes temperatures i sota condicions ambientals agressives, però la seva fragilitat no les fa aptes per a moltes aplicacions industrials.

• Exemples de ceràmiques:

Vidres: contenen un 70% de silici, sosa i calç, en estat no cristal·lí Vitroceràmiques: vidre que ha perdut l’estat amorf mitjançant un procediment de cristal·lització

controlada. Coeficient de dilatació molt baix, aplicacions que requereixen altes temperatures: bescanviadors de calor, plaques de cocció de cuina

Argiles: silicats d’alumini hidratats. Sanitaris i vaixelles, maons i rajoles. Refractaris: òxids metàl·lics. Resisteixen l’atac químic i les temperatures elevades. Maons de

forns i xemeneies, gresols. Abrasius: diamant, carbur de silici, carbur de tungstè, alúmina. Moles abrasives, en operacions

de desgast o tall d’altres materials més tous. Ciments: Silicats de calci en forma de pols fina que en mesclar-la amb aigua formen una pasta

que s’endureix amb el temps a temperatura ambient. Mesclat amb sorra o grava dóna el formigó.

Ceràmiques avançades: carburs, nitrurs, borurs i òxids. Excel·lents propietats mecàniques i físiques a temperatures elevades pel que s’empren en aplicacions que requereixen desgast a altes temperatures com els motors d’automoció i turbines, eines de tall per al mecanitzat de metalls,

MATERIALS COMPOSTOS O COMPÒSITS

Formats per dos o més constituents amb diferent forma i composició química i insolubles entre si: la matriu (material aglutinant) i un reforç (fibres o partícules)

Es classifiquen segons la matriu i el tipus de partícula del reforç:

COMPÒSIT

MATRIU REFORÇ

Metàl·lica

Polimèrica

Ceràmica

Partícules

Fibres

Estructural

Kevlar: família deplàstics amb fibrade vidre

• Les seves propietats varien i quasi es poden obtenir “a la carta”, en produir-los es tenen en compte les qualitats concretes de l’aplicació: baixa densitat, tenacitat, operativitat a alta temperatura, etc.

• El material resultant té millors propietats que els components separats.

• Els primers materials compostos es van desenvolupar durant la Segona Guerra Mundial i consistien en una matriu plàstica (polímer) i un reforç en forma de fibra de vidre o carboni.

• Com són materials molt lleugers i resistents s’empren en xassissos i carrosseries de cotxes, motos i avions (parts de l’estructura de l’Airbus A310 són fabricades de compòsits), es fan servir en la construcció d’edificis perquè poden competir amb el formigó i l’acer.

3. NOUS MATERIALS• La síntesi de nous materials, a causa de l’esgotament dels recursos

naturals i l’aparició de noves necessitats, ha trobat resposta gràcies a les bases científiques del coneixement de les molècules i els àtoms.

• Els avenços en la investigació en Ciència i Enginyeria de Materials que s’han produït en les últimes dècades ha permès de fabricar productes de més qualitat i més econòmics a partir de matèries primeres més abundants i que requereixen un consum energètic menor.

• S’està a punt per dissenyar i construir materials “fets a mida” per necessitats específiques: és la revolució de la Ciència de Materials.

Els nous materials són un dels exemples més notables de la relació entre el desenvolupament científic i tecnològic, la creativitat i la innovació

EL CARBONI: És un element molt abundant a la natura i amb ell es fabriquen molts objectes d’ús quotidià d’importància vital.

Els àtoms de carboni estan units formant xarxes cristal·lines. Segons l’estructura cristal·lina en què s’ordenen els àtoms de carboni, tenim diferents materials.

DIAMANT

Presenta una estructuracristal·lina del sistema cúbic

GRAFIT

Àtoms cristal·litzen en làminesque se separen fàcilment

LA FIBRA DE CARBONI• La fibra de carboni és un

material format per fils de carboni trenats, és d’una resistència tres cops superior a la de l’acer i la seva densitat és 4,5 vegades menor, pel que la converteix en un material molt resistent i lleuger. A més quasi no s’altera per la corrosió ni el foc

• La indústria del carboni té múltiples aplicacions: l’esport, l’aeronàutica, la indústria aeroespacial, els transports, la medicina i la construcció.

L’Airbus A380, l’avió de passatgers més gran que existeix.

Alguns components com les bigues centrals de fusellatge i les ales estan fabricades amb materials compostos de fibra de carboni que són més lleugers que l’alumini i més resistents que el titani, pel què resulten més adients pels grans esforços que han de suportar les ales d’aquesta avions gegants.

COM ES FABRICA LA FIBRA DE CARBONI?

• La fibra de carboni és un fil llarg i molt prim (~ 0,005 mm diàmetre) d’àtoms de carboni. Els àtoms s’adhereixen quan es formen cristalls que se situen els uns sobre els altres paral·lels a l’eix de la fibra.

• L’alineació dels cristalls fa que la fibra tingui una resistència tan gran per la mida que té.

• Diverses fibres de carboni trenades i enllaçades formen el teixit. Aquest teixit es combina amb resines que fan de goma i es modela per donar la forma que es vol.

• Reforçades amb metalls o altres compostos es fan servir ja en parts d’avions, bicicletes, pals de vaixells, canyes de pescar, raquetes, etc.

• Es fabrica a partir de quitrans derivats del petroli

Boeing 787 “Dreamliner”El 50% del Boeing 787 és de fibra de carboni

Els nous materials inclouen: Noves ceràmiques: menys fràgils, resistents als xocs i les elevades

temperatures, resistència tèrmica i química. Aplicacions: peces per treballar a altes temperatures, eines de tall

i ossos artificials biocompatibles.

Polímers conductors: amb electrons lliures portadors de càrrega. Els plàstics conductors permeten fabricar làmines plàstiques lluminoses. Aplicacions: pantalles extraplanes de TV, rètols informatius

“L’any 2000 es guardonà amb el Premi Nobel de química un grup de científics pels seus treballs sobre polímers conductors. Actualment, aquests materials ja han trobat aplicacions en la construcció de pantalles lluminoses. En el futur serà possible obtenir fibres de plàstic amb nanoestructures de carboni resistents a l’aigua i conductors de la electricitat. Plàstics amb memòria que es poden modelar a baixes temperatures i que en ser escalfats recuperen la seva forma original, plàstics amb propietats semblants a les dels metalls. Una gamma extensa de grans possibilitats s’està obrint en el món dels plàstics”

Materials fotònics: capaços de transmetre senyals en forma de pulsos lluminosos a gran velocitat, a causa de la seva transparència.

Aplicacions: fibres òptiques per millorar l’amplada de banda i de velocitat de trànsit de dades a la xarxa de telecomunicacions (àudio i video a Internet) i aconseguir velocitats superiors als 100 Gb/s, s’estudia la construccion de transistors per construir ordinadors fotònics 1000 vegades més ràpids que els actuals.

Superconductors: no ofereixen R al pas de corrent elèctri a molt baixes i baixes T. Sense pèrdues energètiques per efecte Joule.

Aplicacions: producció de grans camps magnètics (equips de ressonància magnètica en hospitals i en recerca), conducció de grans densitats de corrent elèctric sense pèrdues, trens d’alta velocitat levitats (Maglev, Shangai)

Biomaterials: capaços de reemplaçar la funció d’organs o teixits vius i es fabriquen per implantar-los en un organisme viu sense que els rebutgi.

Aplicacions: pròtesis odontològiques, vàlvules cardíaques, pròtesis òssies, rinoplàstia, cirurgia, etc.

Nanomaterials: nanocompostos de carboni

http://www.upc.edu/enclauupc/les-nanofibres

• Els nous materials permeten fabricar d’una altra manera, però van molt més enllà: estan obrint les portes a objectes i a processos de producció innovadors, més especialitzats i més dirigits a un producte concret, relativament més respectuosos amb el medi ambient i sobretot, molt més pràctics.

La tecnologia làser

La mecatrònica: combinació sinèrgica de l’enginyeria mecànica de precisió,

l’electrònica, el control automàtic i els sistemes de disseny de productes i processos.

Els microscopis nanotecnològics: El microscopi d’efecte túnel (STM) El microscopi de força atòmica (AFM)

La nanotecnologia: fulerens i nanotubs

Noves tecnologies:

Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation: El raig

làser s’obté en aplicar un descàrrega elèctrica en un tub

amb gas. La descàrrega provoca que els electrons emetin fotons, que xoquen amb d’altres electrons i s’emeten més fotons.

La tecnologia làser

Aplicacions: reproductors de CD’s i DVD’s, impresores, lectors de codis de barres, sistemes d’escanejat, espectroscòpia, processament de metalls, eina de tall de precisió amb programes de control, cirurgia, recerca científica, etc.

http://www.tv3.cat/videos/1131969 “Làser: adéu a la miopia”

Fou dissenyat per primer cop als laboratoris d’IBM a Zurich i el 1986 van guanyar el Premi Nobel de física per aquest invent.

Dóna una imatge indirecta de l’objecte: una agulla recorre la superfície a estudiar a una distància fixa. L’ajust vertical respecte la superfície per escanejar es controla per l’efecte túnel.

El microscopi d’efecte túnel

Corrent de transmissió entre la superfície i l’agulla encara que no hagi contacte. La potència del corrent està lligada a la distància i això fa possible mantenir una distància fixa d’uns 10-7 cm (2 àtoms).

L’extrem de l’agulla està formada per un sol àtom i per això es detecten els detalls més petits de la superfície escanejada.

4. NOVES TECNOLOGIES: LA NANOTECNOLOGIA

Què és la nanociència? L’estudi dels objectes i fenòmens a molt petita escala (1-100 nm)

El desenvolupament científic i tecnològic ha trobat el seu punt culminant en la possibilitat de manipular objectes a nanoescala, és a dir, manipular àtoms i molècules per crear materials amb propietats concretes.

Què és la nanotecnologia? L’estudi, el disseny, la creació, la síntesi, la manipulació i l’aplicació de materials, aparells i sistemes funcionals a través del control de la matèria a nanoescala i l’explotació de fenòmens i propietats de la matèria a nanoescala.

Nanoescala: Com és de gran 1 nanòmetre?

1 nm = 10-9 m = 0,000000001 m = la milionèssima part d’un metre

(Full de paper = uns 100 000 nm Quèquicom: Nanotecnologia:el món més petit (una agulla Fent un zoom a la mà ... en la península))

De què parlem?

A aquesta escala, la matèria presenta propietats noves i desconegudes.

Nous paradigmes, noves eines, noves propietats i Nous paradigmes, noves eines, noves propietats i aplicacions, nous productes i tècniques…aplicacions, nous productes i tècniques…

La nanotecnologia és multi i interdisciplinar:Física EnginyeriaQuímica Ciència de materialsBiologia

La nanotecnologia és multidisciplinar:

Richard Feynman (Nobel de física 1965)

Any 1959 !

Què hi ha d’interessant en la nanoescala?

Partícules a escala nanomètrica tenen propietats diferents de les partícules més grans de la mateixa substància

Estudiant els fenòmens d’aquesta escala es podrà:

Aprendre més sobre la natura de la matèria

Desenvolupar noves teories

Descobrir noves qüestions i trobar respostes en àmbits tan llunyans

com la salut, l’energia o la tecnologia

En general, idear i produir nous productes i tecnologies que millorin

la qualitat de vida de les pesones

Consideracions generals de la nanoescalaConsideracions generals de la nanoescala

Els àtoms i les molècules generalment són menors al nm i s’estudien a química

La física de la matèria condensada tracta amb sòlids normalment considerant xarxes infinites d’àtoms enllaçats

La nanotecnologia es troba al mig (meso-world)

Això fa que no es puguin aplicar conceptes propis de química quàntica, i els sistemes no són prou grans per només considerar les lleis clàssiques de la física

El que fa realment interessant la nanociència és que en aquestes escales, les propietats físiques i químiques dels materials canvien

Com canvien les propietats dels materials????

Per exemple, es comporten els materials sempre igual independentment de les seves dimensions????

La importància de la relació superfície-volum

A escala nanomètrica l’àrea efectiva augmenta, la reactivitat química augmenta i per tant, una de les primeres aplicacions per explotar la nanotecnolgia ha estat en química i bioquímica.

Algunes propietats concretes depenen fortament de les dimensions: En semiconductors com ZnO, CdS i Si, el bandgap canvia amb la mida, aquest canvi provoca un canvi de color.

S’altera l’estructura de bandes i apareixen nivells d’energia dominants

La temperatura a la què els àtoms, ions o molècules d’una substància tenen energia suficient per superar les forces intermoleclars que les mantenen en una posició fixa en un sòlid (punt de fusió)

El comportament de l’or varia segons la dimensió de les partícules

El punt de fusió depèn de la mida de les partícules

L’or com a substrat sòlid és groc, però les nanopartícules d’or són de diferents colors segons els seu diàmetre

Nanocompostos de carboni: ful·lerens i nanotubs• El carboni és un element

fonamental en la nostra existència ja que està present en la majoria dels compostos que formen els éssers vius.

• Fins a finals del s. XX, el diamant i el grafit eren les dues úniques formes conegudes en les quals es presentava el carboni pur a la natura.

• Ful·lerè: nanoestructura formada de 60 àtoms de carboni amb una forma semblant a l’icosaedre (C60).

• Els ful·lerens en forma de nanobaló van deixar pas als ful·lerens en forma de tub o nanotubs.

Al 1985 un grup de científics va sintetitzar esferes de carboni pur que van anomenar Buckyball o fulerene. Premi Nobel de química el 1996

Nanotubs de carboni• Nanotubs: nanoestructura

cilíndrica de grafit que tenen un diàmetre nanomètric i un llarg que pot arribar als mm.

• Són les fibres més resistents que es coneixen, són molt lleugeres, més elàstiques que les fibres de carboni i barates.

• Introduint altres elements en l’estructura esdevenen conductors o semiconductors depenent com s’enrotlli les làmines de carboni (bandgap sintonitzable)

Al 1985 un grup de científics va sintetitzar esferes de carboni pur que van anomenar Buckyball o fulerene. Premi Nobel de química el 1996

• Permeten densitats de corrent elevades.

• Conductivitat més alta que el Cu• Condueixen corrent elèctric de

manera quasi instantània d’un extrem a un altre sense pèrdues energètiques.

La nanociència ha obert les portes a la nanotecnologia i el futur és a l’abast de la mà

Els nanotubs han estat un granavenç tecnològic, i obre unes possibilitats a l’electrònica que ara mateix ja estan revolucionant la nostra vida quotidiana

• Objectiu final: manipular àtoms individualment per tal de situar-los en el lloc que correspongui fins a fabricar un material o un objecte.

• Obre les possibilitats de les màquines a un món que pensàvem que no era possible. Ara som a punt de poder fabricar màquines capaces de dipositar àtoms d’un element particular just en el lloc adient perquè, juntament amb altres àtoms, acabin formant una màquina de mida microscòpica.

• Podem dissenyar materials nous amb unes condicions excepcionals des de la primera molècula, amb la seguretat que el comportament global de l’objecte serà el que volíem.

• Podem dissenyar un material adequat per a un funció específica, i només per aquesta funció, que es comportarà d’una manera determinada tan sols en una situació determinada.

http://nanoengineer1.com/content/

Engranatge de nanotubs deCarboni de baixa fricció

Aquesta revolució tecnològica trindrà defensors i detractors, però és imparable.

Les transformacions de què parlem són:

Productes nous i sistemes de producció nous Millora de la producció gràcies a l’abaratiment i la rapidesa de la

producció de prototips Afecta totes les indústries (modifica la manera de produir en tots

els àmbits) Matèries primeres molt barates (minimització dels costos de

producció) L’impacte no coneix fronteres, és una transformació global

Algunes aplicacions

Memòries més denses Memòries més denses (DVD’s amb milions (DVD’s amb milions de de películes…..)películes…..)

• Els CD’s i DVD’s tenen escales dels bits d’informació en micròmetres

• Nous medis “nano” per emmagatzemar informació tenen una escala de nanòmetres– Això implica 1000 vegades més capacitat en cada

direcció (longitud, amplada) ….

…. o 1000000 de vegades més gran que els actuals sistemes

Teixits resistents a taques (Teixits resistents a taques (hidròfobshidròfobs))Nanofibres que creen un coixí d’aire al voltant de les fibres, actuen com la pell del préssec

Teixits que no es taquen;Els líquids rellisquen

Nano-Care fabrics with water, cranberry juice, vegetable oil, and mustard after 30 minutes

(left) and wiped off with wet paper towel (right)

Innovació en materials diversosInnovació en materials diversoshttp://www.upc.edu/enclauupc/les-nanofibreshttp://www.upc.edu/enclauupc/les-nanofibres

Recobriments– Repel.lents de l’aigua i la brutícia

Mercedes covered with tougher, shinier nanopaint

Nanopartícules/nanotubs en molts productes i aplicacions

Nanomaterials per a la construcció material esportiu (raquetes, pilotes de tennis), productes de cosmètica, etc.

APLICACIONS AL NOSTRE VOLTANT: primeres passes cap al futur• ELÈCTRIQUES:

Bateries i condensadors ultrafins (nanotubs en paper) LED’s que substitueixen les bombetes perquè duren més i són

d’una eficiència energètica més alta.

• ELECTRÒNIQUES I INFORMÀTIQUES:Nanoxips: minituarització dels xips microprocessadors amb fiabilitat i augment de l’emmagatzematge d’informació Recerca en la construcció d’ordinadors quàntics (espí) molt més ràpids: processadors més ràpids, nanotelèfons, nanomicròfons, Internet a altíssimes velocitats.

• MEDICINA I FARMÀCIA: s’investiga en sobre els fullerens que contenen medicaments al seu interior. Revolució en els tractaments mèdics i en la gestió de malalties. Reparació de teixits amb la construcció d’estructures autoreparablesi materials substitutius dels teixits orgànics.

• INDÚSTRIA TÈXTIL: teixits amb fibres de nanotubs i altres materials nanomètrics, que impedeixen que les gotes de líquid arribin a mullar el teixit i eviten les taques.Tapisseries de cotxes (materials retardans del foc)

• CONSTRUCCIÓ:

Recobriments: per protegir les parets de la pintura indesitjada.

Vidres fotocròmics: canvien de color segons la llum

que hi incideix, disminuint la temperatura de l’habitació i reflectint intel·ligentment la llum i evitant els raigs UV i IR.

Ceràmiques: per fabricar sanitaris que repel·leixen els líquids, no es taquen ni creixen bacteris.

Materials molt més resistents i lleugers degut al tractament de l’acer i el formigó.

• ENERGÈTIQUES:

La combustió i l'electròlisi poden millorar-se energèticament si s'utilitzen catalitzadors amb nanopartícules de metall suposant un cost i una contaminació més baixos

La situació actual de la nanotecnologia és

molt complicada. La major part dels esforços que es fan en el

camp de la nanotecnologia se situa en l’ambit de la recerca científica i industrial, però en un futur no gaire llunyà es produirà una explosió de desenvolupament tecnològic difícil de preveure en l’actualitat.

Invenció del transistor

Descobriment de l’estructura del ADN

There’s plenty of room at the

bottom

Invenció del STM

Carbon nanotubes

El futur?El futur?

WEBS Instituts i centres de recerca

• IBEC Institut de Bioenbinyeria de Barcelona www.ibecbarcelona.eu

• UPC Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica (CMEM) www.upc.edu/cmem

• Institut Català de Nanotecnologia www.nanocat.org

• Centre Nacional de Microelectrònica www.cnm.es

• Institut de Ciències Fotòniques www.icfo.es

• Institut de Ciència de Materials de Barcelona www.icmab.es

• l’Institut d’Investigació Tèxtil i Cooperació Industrial (INTEXTER) http://www.upc.edu/intexter/intexter-1

• Centre d’Investigació per a la innovació en Tecnologies electrònica i de Comunicacions (CIMITEC)

http://cimitec.uab.es/ http://www.youtube.com/watch?v=K-PXT82UzvQ• Foment de les Arts i del Disseny (FAD) projecte Mater (centre de materials a

disposició de fabricants i enginyers)

www.materfad.com

Altres webs interessants:

http://www.upc.edu/enclauupc/ butlletí d’informació adreçat al professorat d’ensenayament secundari (UPC)

http://www.uab.es/uabdivulga/ revista de divulgació científica de la UAB

http://www.uab.es You tube canal UAB videos de divulgació científica

http://www.edu3.cat/

http://www.tv3.cat/videos/

http://www.smartplanet.es/redesblog

http://www.nanowiki.org (anglès)

http://www.nanosense.org materials, experiències i tallers per a professorat de secundària (anglès)

http://www.flashwebmaster.com/portfolio/animation/video/meso-world_3d_micro_organism_particles.htm

Bibliografia:

• CCMC 1r Batxillerat Ed. Barcanova• CCMC 1r Batxillerat Ed. Casals• CCMC 1r Batxillerat Ed. McGraw• CCMC 1r Batxillerat Ed. Santillana

• Ciencias para el mundo contemporáneo: aproximaciones didácticasEd. Fundación española para la ciencia y la tecnologia, www.fecyt.es

• Nanociencia y Nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro Unidat didàctica editada pel FECYT

• La Nanotecnología, Innovaciones para el mundo del mañana Editat per la Comissió Europea

• Presentació “La nanotecnologia: una nova era …” per Nuria Barniol dins de les VII Jornades d’Actualització Científica de la UAB 2009