NUEVOS MATERIALESTendencias en Investigación, Desarrollo e

InnovaciónWorkshop Internacional de Materiales SENAI

Criciuma, Brasil, Agosto 2012

Dr. Juan Méndez Nonell

La PrehistoriaLa Prehistoria

Edad de Piedra (¿? – 6000 AC)• Piedra, Madera, Fibras vegetales Herramientas diversas de piedra y madera• Pedernal

Fuego controlado

Alfarería (cerámica)

• Metales

cobre natural Martillado

Norte de Irak hace 8 a 9000 años A.C. • Fundición de metales (descubierta en una alfarería hacia 6000 A.C.) • Cobre y óxidos metálicos

Artes Pirolíticas: Alfarería, Metalurgia y Vidriería

Edad del Bronce (5 a 6000 A.C. – 1500 A.C.)Bronce = Cu + Sn, pero también Au, Ag, Pb Civilizaciones Griega, Egipcia, …

… ¿y el hierro?Fe muy abundante en la corteza terrestre y

de fácil acceso, pero:Cobre Tf = 1083°C y Fe Tf = 1537°C

La HistoriaLa Historia

Edad de Hierro (1200 A.C. – hasta nuestros dias)

• Hititas (1500 A.C.) Forjado de hierro en presencia de carbón (brazas) Difusión de carbón en décimas % a T < Tf

ACERO (secreto Hitita)

• Hacia 1200 A.C. Nórdicos los conquistan y difunden esta tecnología• Acero de Damasco Alta dureza

2o Proceso importante:Reducción de óxidos por carbón a T < TfFe2 O3 + 3C → 2Fe + 3CO

Paradoja:Cu, Zn, Sn, Au, Ag → elementos raros Si, Al, Ca, Na, K, Mg → abundantes

Al2 O3 no se puede reducir por este método 1886 electrólisis en USA y Francia

POLIMEROS (plásticos) = Cadenas de moléculas orgánicas• Polímeros de carbón

Origen de la vida

• América Koo-Choo (caucho); • México Ulli (Nahuatl) Olmeca (país del hule)• Castilla elástica y Guayule, pero 1000 plantas diferentes en el mundo• Primer polímero artificial: La Bakelita en 1908• Petroquímica

Polímeros artificiales

• 2a Guerra Mundial Caucho artificial para llantas, Nylon para paracaidas

La HistoriaLa Historia

METALES• Revolución Industrial (Acero)

Inglaterra siglo XIX

SEMICONDUCTORESTransistor

Electrónica

FUTURO • Regreso a los recursos primarios

Piedras (cerámicos), Biosistemas

MATERIALES AVANZADOS

“La generación y el dominio de una tecnología revolucionaria da el acceso al poder, al bienestar y al desarrollo cultural de una civilización o país”

Un Ejemplo de Materiales Avanzados: Un Ejemplo de Materiales Avanzados: ElectroElectro--CerCeráámicas micas

• Dieléctricas• Cerámicas superconductoras

de alta temperatura• Piezoeléctricas• Piezomagnéticas• Piroeléctricas• Piromagnéticas• Ferroeléctricas• Antiferroeléctricas• Ferromagnéticas y Magnéticas• Antiferromagnéticas• Ferroelásticas• Magnetoelásticas• Magnetoeléctricas

PiezoelPiezoelééctricosctricos

V →

- V →

→

V → - V

Piezoeléctricos tradicionales: Cuarzo, PZT, BaTiO3 (cerámicos)

Nuevos Piezoeléctricos: Cerámicas Aurivillius

Aplicación en actuadores: Detectores de ultrasonido, para aplicaciones médicas, fallas en contenedores, …

..Y??

La intensidad del efecto depende de la anisotropía

AnisotropíaVs.

Isotropía

Resolución atómica en un Microscopio Electrónico de Transmisión

PiezoelPiezoelééctricosctricos

TIPO / AÑO 1997 1999 2002 2004

Cerámicas para la electrónica

4 520 5 300 6 830 8 060

Cerámicas para procesos químicos y ambientales

1 331 1 500 1 750 1 935

Recubrimientos cerámicos

564 810 905 1 130

Cerámicas estructurales avanzadas

395 460 585 695

Total 6 810 8 070 10 010 11 820

Estructura del mercado de USA de CerEstructura del mercado de USA de Ceráámicas micas Avanzadas Millones de USDAvanzadas Millones de USD

Mercado mundial de materiales cerámicos 200 mil millones de U.S. dólares/año

El estudio sistemático de los materiales, mediante lo que actualmente se conoce como Ciencia e Ingeniería de Materiales, se inició apenas en la década de los 40´s, ya que anteriormente éstos se usaban y producían con una gran dosis de empirismo.

La ciencia de los materiales surgió como resultado de la aplicación de los desarrollos científicos de las ciencias Físicas y Químicas: la aplicación de estos conocimientos por los ingenieros llevó a la ingeniería de los materiales

CienciaCiencia e e IngenierIngenierííaa de de MaterialesMateriales

Ciencia e IngenierCiencia e Ingenieríía de Materiales a de Materiales

Los cinco diferentes aspectos que construyen el edificio de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales

Partiendo de lo que están hechos, los materiales suelen clasificarse en metálicos (hierro, cobre, aluminio, bronce, níquel titanio, etc.), cerámicos (ladrillos, vidrio, cemento, aislantes, abrasivos, etc.), poliméricos (caucho, plásticos diversos, varios tipos de adhesivos, etc.), semiconductores (silicio, germanio, arsenuro de galio, etc.) y otros, más complejos, llamados compuestos, que son mezclas de dos o más de los antes mencionados. Dependiendo de su complejidad estructural y funcional, los materiales se clasifican en dos grupos: los materiales tradicionales y los materiales avanzados.

La utilidad de los materiales avanzados reside no tanto en sus propiedades mecánicas, sino en sus propiedades químicas, magnéticas, ópticas, electrónicas, entre otras. Los materiales avanzados tienen una carga tecnológica alta y un elevado valor agregado.

El precio de venta promedio de los materiales avanzados alcanza hasta 1,000 dólares o más por kilogramo, en comparación con los tradicionales que solo tienen un precio promedio de 1 dólar/Kg.

ClasificaciClasificacióónn de de loslos MaterialesMateriales

Avances tecnolAvances tecnolóógicos basados en el gicos basados en el desarrollo de nuevos materialesdesarrollo de nuevos materiales

Evolución de la resistencia mecánica de diversos materiales en función del año de su descubrimiento

Evolución de la magnetización en imanes permanentes, en función del año de su descubrimiento

Evolución de la temperatura de operación de motores (eficiencia), en función del año de invención

Avances tecnolAvances tecnolóógicos basados en el gicos basados en el desarrollo de nuevos materialesdesarrollo de nuevos materiales

Evolución de la capacidad de transmisión de luz de diversos materiales en función del año de su descubrimiento

Evolución de la velocidad de corte de herramientas fabricadas con diferentes materiales, en función de la fecha de su desarrollo

Avances tecnolAvances tecnolóógicos basados en el gicos basados en el desarrollo de nuevos materialesdesarrollo de nuevos materiales

Tendencias mundialesTendencias mundiales

Materiales Avanzados países más industrializados, impulsados por los requerimientos de un mercado en rápido crecimiento

Interés global la necesidad de reducir costos energéticos en la producción de materiales, la biodegradabilidad y la recuperación o reciclado de desechos y subproductos

Futuro próximo advenimiento de una familia de materiales avanzados más complejos, con capacidad de auto-diagnóstico y auto-reparación, que incorporan funciones programadas como sensoras y actuadoras. Esta familia de materiales es conocida como “materiales inteligentes”

Tecnología de materiales Sustitución de la materia prima como principal factor de competencia. Tener grandes riquezas naturales está dejando de ser un factor de ventaja comercial en el mercado mundial

Evolución de la temperatura crítica a partir de la cual se presenta el fenómeno de la superconductividad (resistencia eléctrica cero), en función del año de su descubrimiento

SuperconductoresSuperconductores

Andrei Mourachkine Cambridge Int. Sci. Pub. 2004

Actualmente: (Tl4 Ba)Ba2 Ca2 Cu7 O13+ Tc = 254K !!!

T = - 160 °C

Superconductividad de Alta TemperaturaSuperconductividad de Alta Temperatura

SUPERCONDUCTIVIDADDE ALTA TEMPERATURA(Resistencia eléctrica = 0)

APLICACIONES

• Electroimanes de campos magnéticos muy elevados (trenes levitados)• Sensores ultrasensibles de campos magnéticos (magneto-encefalogramas)• Transmisión de energía eléctrica sin pérdidas de energía• Aceleradores de partículas elementales

T = - 160 °C

¿…Y?

Tren Superconductor JaponTren Superconductor Japonéés MAGLEVs MAGLEV

¡¡ 550 Km/h en 100 segundos !!

• Electroimán superconductor en eltren y un embobinado en tierra

• Prueba con 5 carros en abril de 1999

• Efectos cuánticos de tamaño hacen que materiales “tradicionales” presenten nuevos comportamientos que modifican notablemente sus propiedades ópticas, eléctricas, mecánicas, catalíticas.

• Intel está produciendo actualmente memorias SRAM (Static Random Access Memory) que contienen más de millón y medio de transistores por milímetro cuadrado.

• MEMS y NEMS (micro y nano máquinas electromecánicas).

• Polimerización radicálica controlada o viviente costo y versatilidad. Alrededor de 60% de polímeros en el mundo se sintetizan actualmente por el mecanismo de radicales libres.

• Materiales espintrónicos su uso en computación ayudará a incrementar de manera importante la velocidad de procesamiento de datos.

• Celdas de combustible basadas en la muy conocida reacción exotérmica que ocurre durante la recombinación de hidrógeno y oxígeno.

EjemplosEjemplos de de MaterialesMateriales AvanzadosAvanzados

El Efecto Memoria de Forma

MaterialesMateriales ““InteligentesInteligentes””

Deformación en flexión por un campo magnético

N.Glavatska at al., Institute for Metal Physics, Kiev, Ukraine

(Micro Electromechanic Machines)

MEMS

Patas de una araña en un MEM

1 mm

1 Nanómetro = 10-9 metros; La distancia entre átomos en un sólido es

0.2 nanómetros

Las propiedades de los materiales (mecánicas, ópticas, eléctricas, magnéticas, térmicas, etc) cambian cuando tienen dimensiones nanométricas. La contribución de la superficie a las propiedades empieza a ser más importante que la del volumen.

1 nm

Microscopio Electrónico de Transmisión

Y, Y, …… ¿¿ququéé siguesigue? : La ? : La NanotecnologNanotecnologííaa

1590 los hermanos Dutch (alemanes) fabrican el primer microscopio Mediados siglo XIX, microscopio metalográfico (luz reflejada) 1938 Ruska desarrolla el microscopio electrónico 1950+ La microsonda electrónica lleva al SEM 1959 Nanotecnología Predicha por el Premio Nobel Richard

Feynman en en su artículo “There is plenty of room at the bottom” 1974 el término Nanotecnologia es introducido por Norio Taniguchi 1981 Binnig & Rohrer desarrollan el Microscopio de efecto tunel

(STM), Premio Nobel en 1986 1986 Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) 1996 Premio Nobel por el descubrimiento del C60 (Buckyball) 1991 Iijima descubre los nanotubos de carbón Avances en las capacidades de cómputo Avances en las capacidades de microscopios electrónicos

AntecedentesAntecedentes HistHistóóricosricos de la de la NanotecnologNanotecnologííaa

Metros

10-3

10-9

Milímetros(mm)

Micrómetros(µm)

Nanómetros(nm)

Hormiga

GlóbulosRojos

ADN

Atomos

Naturaleza HombreJeringaHipodérmica

MEMs

Nanotransistor

Atomos

Acaro

10-6

Nanomateriales, entendidos como estructuras con alguna de sus dimensiones por debajo de los 100 nm (un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro), sobresalen las actividades relacionadas con: nanopartículas (semiconductoras, metálicas, nanocompósitos, óxidos metálicos); nanoestructuras novedosas (fulerenos, nanotubos de carbono, nanoalambres, pozos, alambres y puntos cuánticos, etc.), nanopelículas (metálicas, semiconductoras y dieléctricas) y polímeros nanoestructurados (polímeros en bloques de tamaño nanométrico, compósitos)

NanomaterialesNanomateriales

Nanotubos de carbón. a) y b) vistas lateral y frontal de dos modelos de nanotubos: carbono a) y Disulfuro de tungsteno b). c) y d) fotografías de microscopio electrónico de barrido de mazos de fibras de carbón crecidas en el IPICYT. Terrones, et. al. Nature 388 (1997) 52.

a)

b)

La industria de los nanomateriales manipulación de la materia a escala del nanómetro, para la fabricación de estructuras con estas dimensiones. Nuevas propiedades físicas y químicas en la nanoescala. La dimensión se convierte en una variable más de diseño de nuevos materiales. Para una composición química y una estructura fijas, propiedades como el color o la temperatura de fusión, dependen ahora del tamaño.

En este ámbito, convergen la Física, la Química y la Biología, pues la escala de los Nanomateriales coincide con la de las proteínas y otras macromoléculas que se encuentran en la base de la vida, con la de varias estructuras intracelulares e incluso con la de organismos vivos como las nanobacterias y los virus.

En la actualidad, esta industria representa más de 50 mil millones de dólares a escala global y los analistas predicen que llegará a 400 mil millones de dólares anuales en 2015.

NanomaterialesNanomateriales

¿¿QueQue eses entoncesentonces la la NanotecnologNanotecnologííaa??

La capacidad de crear materiales funcionales, dispositivos y sistemas, con propiedades nuevas, mediante el control de sus dimensiones y el aprovechamiento de los nuevos comportamientos que aparecen en la escala nanométrica:

• Efectos cuánticos• Propiedades superficiales

Nanotubos de CarbonoNanotubos de Carbono

Respuestas Mecánicas

Deformaciones

Twisting

PROPIEDADES MECÁNICAS* Módulo de Young~ 1-1.5 Tpa• Uno de los materiales más

resistentes en la Naturaleza* Muy Flexible y Deformable* Extremadamente ligero

Plasticidad Intermolecular

Dimensiones: 2-25 nm diámetro, Micras de largo

100 VECES MAS RESISTENTE QUE EL ACEROY 6 VECES MAS LIGERO.

* CONDUCE LA ELECTRICIDAD COMO EL COBRE

S.J. Tans, A.R.M. Verschueren, and C. Dekker, Nature 393, 49-52 (1998)

Transistor Molecular utilizando un nanotubo de carbono (1.4 nm de diámetro). Este transistor opera a temperatura ambiente. El dispositivo consiste en un nanotubo semiconductor y dos electrodos metálicos.

NanoelectrNanoelectróónica del Carbononica del Carbono

Pantallas Ultraplanas de TV con Pantallas Ultraplanas de TV con bajo consumo de energbajo consumo de energííaa

Pantalla de TV utilizando Nanotubos de bajo consumo energético y más luminosidad

W.B. Choi, et. al. Applied Physics Letters 75, 3129 (1999)

Nanotubos llenos de HierroNanotubos llenos de Hierro

Discos Duros magnéticos de alta

capacidad

Nanotubos llenos de Hierro producidos por métodos pirolíticos

AplicacionesAplicaciones de la de la NanotecnologNanotecnologííaa en la en la IndustriaIndustria de la de la ConstrucciConstruccióónn

Materiales con mayor durabilidad y mejores propiedades

Materiales multifuncionales, con mejor resistencia mecánica combinada con propiedades conductoras o aislantes eléctricas, térmicas, ópticas, magnéticas, etc.

Materiales “inteligentes”, con capacidades programables de autoreparación y sensoras

Materiales híbridos (compuestos) de materiales orgánicos/inorgánicos, con mejores propiedades que las de los componentes originales

Casi la mitad de la energía producida en Europa es consumida por sus 160 millones de edificios:

Edificios residenciales y oficinas 40.4%, industria 28.3 % y transporte 31.3%

Calefacción 69%, calentamiento de agua y cocina 19% y electricidad 12%

Entre las diferentes medidas para ahorrar energía, tales como: eficiencia en la combustión, sistemas solares, etc., el aislamiento térmico representa con mucho la mejor solución, además de evitar la emisión de gases contaminantes (CO2)

AislamientosAislamientos CerCeráámicosmicos

AislamientosAislamientos TTéérmicosrmicos

88% de las estructuras en casas unifamiliares son de madera

5%

5%

11%

39%

40%

Solid WoodOthersEngineered WoodMetalsPlastics

MaterialesMateriales de de construcciconstruccióónn en USAen USA

Jorn Larsen-Basse and Ken P. Chong, National Science Foundation, USA

SSííntesisntesis de de nanofibrasnanofibras y y nanotubosnanotubos de de celulosacelulosa

FuenteFuente: Jeffery : Jeffery CatchmarkCatchmark, Penn State University, Penn State University

Nanofibras de Celulosa

Conjunto de rosetas(6 proteinas ensambladas), que producen nanofibras de celulosa~28nm

ConcretosConcretos ReforzadosReforzados

Fuente: P. ACKER, LAFARGE - Centre de Recherche, France

PRESENTE 5 10 15 20 FUTURO

ACERO Acero anti corrosión

CONCRETO

Baja energía

Aditivos no tradicionales

Dúctiles y de alta resistencia

Nano recubrimientos

CERAMICOSLadrillos, vidrio

Superficies bio-activas

Cerámicas deformables

Vidrios autolimpiables

PLASTICOSNano reforzados

Ensamblados molecularmente

MADERA Madera modificada

Materiales

Avanzados

de Construcción

Muy

bajoim

pactoam

biental, recursossustentables,

propiedadesoptim

izadas, etc.

• Bioactivos (actúan como el órgano que sustituyen);

• Biodegradables (que con el tiempo no contaminen al ambiente);

• Bioinertes (que no reaccionan a nivel químico con su entorno);

• Biodispositivos para dosificación controlada de fármacos, para la regeneración de tejidos, etcétera.

BiomaterialesBiomateriales

¿¿Y Y …… el siguiente paso?el siguiente paso?

El Motor Molecular

El Motor MolecularEl Motor Molecular

MMááquinas Biolquinas Biolóógicas Autoensambladasgicas Autoensambladas

BiomBiomááquinasquinas

Escherichia Coli

Bio Bio NanoNano RobotRobot

Prof. Constantinos Mavroidis, Robotics and Mechatronics Laboratory, Northeastern University

La inversión en C&T nano en USA, pasó de 116 millones de USD en 1997 a 849 millones de USD en 2004.

• National Nanofabrication Users Network (NNUN).

• Nanoscale Science Research Centers (NSRC’s)

InversiInversióónn en en NanocienciasNanociencias y y NanotecnologNanotecnologííaa

SituaciSituacióón Actual de la Investigacin Actual de la Investigacióón y el n y el Desarrollo TecnolDesarrollo Tecnolóógico de los Materialesgico de los Materiales

en Men Mééxicoxico

Instituciones públicas y privadas realizan actividades en el ámbito de los materiales. Entre las públicas se encuentran la UNAM, IPN, UAM, IMP, CINVESTAV, CIMAV, COMIMSA, CIQA, IPICyT, CICY, CIO, CICESE, U de G, UANL, UASLP, BUAP y UAS entre las principales, ubicadas en diferentes Estados de la República.

El censo nacional de recursos humanos que trabajan en el área de los materiales y en otras afines dentro de la física, la química y la ingeniería, arroja un total aproximado de 1,000 investigadores. Esta cifra no es comparable con los aproximadamente 150,000 investigadores en los Estados Unidos con actividades similares.

Centros de Investigación y Desarrollo de empresas privadas realizan también actividades en el área de materiales, entre los que se cuentan: Grupo DESC, Vitro, CEMEX, MABE, Peñoles, Hylsa, GCC, CONDUMEX, PROLEC.

Actualmente, la planta productiva mexicana está fuertemente orientada hacia la comercialización de materiales tradicionales, con un consumo elevado de materia prima y un bajo valor agregado; lo anterior, con una consecuente pérdida de competitividad.

En los países industrializados, la tecnología de materiales ha sustituido a la materia prima como principal factor de competencia. Así, el tener grandes riquezas naturales está dejando de ser un factor de ventaja comercial en el mercado mundial.

Industria Manufacturera NacionalIndustria Manufacturera Nacional

PrincipalesPrincipales GruposGrupos de de InvestigaciInvestigacióónn en en NanocienciasNanociencias y y NanotecnologNanotecnologííasas

en Men Mééxicoxico

• IPICYT, San Luís Potosí• CIMAV, Chihuahua, Monterrey• CIO, León• CIQA, Saltillo• CICY, Mérida

• UNAM, D.F., Ensenada, Cuernavaca• UAM, D.F.• CINVESTAV, Querétaro, Saltillo, Mérida• IPN, D.F.• UANL, Monterrey• BUAP, Puebla• UAG, Guanajuato• UASLP, San Luís Potosí

La inversión nacional en Nano C&T es menor a 5 millones de USD/año !!!

GRACIAS