Nanotecnología

  Desde la SOCIEMAT, os presentamos hoy a Materalia: El Grupo de investigación MATERALIA perteneciente al Departamento de Metalurgia Física del CENIM, lleva más de 25 años trabajando en el diseño y desarrollo de aceros avanzados y superaleaciones base Fe. Sus líneas de investigación están relacionadas con el estudio y modelización de las transformaciones de fase en estado sólido de aceros de alta, media y baja aleación, así como la optimización de sus propiedades mecánicas a través de la modificación microestructural producida por la aplicación de tratamientos térmicos y/o  termomecánicos.

El Grupo está formado en la actualidad por trece personas, de los que siete son Investigadores, un Postdoctoral en el Materials Innovation Institute (M2i) de Delft (Holanda), tres Becarios Predoctorales, un Gestor de I+D+i y un Técnico de laboratorio.

MATERALIA colabora con las más prestigiosas empresas, centros de investigación y universidades de  países miembro de la Unión Europea, de los que cabe destacar dos de los grupos europeos más prestigiados en este campo, el dirigido por el Prof. H.K.D.H. Bhadeshia en la University of Cambridge y el dirigido por el Prof. S.Van der Zwaag en la Delft University of Technology. MATERALIA también colabora con Oak Ridge National Laboratory de USA y la Comisión Nacional de Energía Atómica de Argentina.

En los últimos 5 años el Grupo ha participado en 10 proyectos internacionales y 16 nacionales, ha publicado 74 artículos en revistas SCI de la especialidad y ha presentado sus resultados de investigación en numerosos congresos nacionales e internacionales.

En la actualidad, el Grupo MATERALIA está implicado en el desarrollo de dos investigaciones de un significativo interés científico y de aplicación industrial. En la primera, se exploran las posibilidades de aplicación de las microestructuras bainíticas libres de carburos en aceros medios en carbono. Con una matriz de ferrita bainítica y una mezcla de austenita y martensita, que desde muchos puntos de vista ha demostrado ser excelente, en estos aceros se han conseguido los valores combinados de resistencia-ductilidad más altos alcanzados hasta la fecha (2000 MPa). En esta línea de trabajo, se están diseñando también aceros bainíticos para su aplicación en la fabricación de ruedas de ferrocarril.

En la segunda línea de investigación se estudian y modelizan las propiedades complejas de superaleaciones ODS. Las superaleaciones ODS de base Fe fabricadas por aleado mecánico y reforzadas por dispersión de partículas de óxidos de itrio, son un ejemplo típico de material con altas prestaciones resultante de un profundo trabajo de diseño y aplicación en el campo de las fuentes de energía alternativas como la fusión nuclear y la biomasa. Este trabajo se centra en el estudio del papel del dispersoide y se estudia  cómo mejorar la resistencia de estas aleaciones  a altas temperaturas.

Como consecuencia de su dilatada experiencia y su potencial humano, MATERALIA ha mantenido una producción científica considerable (un promedio de 15 publicaciones SCI y 50 citas al año en los últimos 5 años), ha conseguido un nivel de recursos económicos significativo y creciente, ha alcanzando un tamaño acorde con los recursos conseguidos y los objetivos perseguidos, ha efectuado un importante esfuerzo en actividades de investigación tecnológica aplicada a la industria del acero y se ha consolidado como un grupo de prestigio en Europa.

  El equipo de Polímeros y Compuestos de Mondragon Unibertsitatea es un equipo pluridisciplinar, cuyo principal objetivo es generar el conocimiento científico-tecnológico sobre nuevos materiales plásticos y compuestos, así como sobre sus procesos.

A tales efectos, la actividad del grupo se ha dividido en cuatro líneas de investigación:

• 1. Diseño y simulación de piezas en materiales plásticos y compuestos.
• 2. Desarrollo de materiales compuestos avanzados y sus procesos.
• 3. Análisis del comportamiento de materiales procesados.
• 4. Reciclado y revalorización de plásticos.

Una de las líneas prioritarias es el desarrollo de estructuras con comportamiento a impacto mejorado mediante el uso de materiales avanzados (materiales inteligentes, nanorefuerzos,…) y métodos de simulación adaptados a dicho comportamiento.

El equipo desarrolla su labor realizando proyectos de I+D+I, ofreciendo asistencia técnica a la industria, impartiendo cursos de formación tanto en Ciclos Formativos como en Ingeniería y formación continua a empresas, y realizando jornadas de difusión tecnológica.

En la dirección http://www.mondragon.edu/eps/investigacion/plasticos se muestra una descripción de los medios disponibles, así como de la experiencia desarrollada.

Por Victor Diñeiro Somolinos

Ingenieros de la Universidad de Princeton han creado un metamaterial semiconductor. Son materiales artificiales que presentan propiedades electromagnéticas inusuales. Se diferencian de otros materiales en que son capaces de reflectar la luz en sentido contrario al que éstos lo hacen de forma natural.

Los metamateriales conocidos hasta ahora se obtenían en 2 dimensiones, lo que limitaba sus propiedades, pero los nuevos se han obtenido en 3 dimensiones. Los semiconductores que forman este metamaterial están hechos a partir de sólidos cristalinos y mediante técnicas sencillas y baratas.  Su fabriación se realiza de manera muy minuciosa a escalas muy pequeñas que modifican sus propiedades colectivas. Esto posibilita que con los metamateriales se pueda manipular la luz de una manera impensable para otros.

Las propiedades de los metamateriales se debe a su estructura y no a su composición, son materiales en los que sus propiedades físicas son distintas a las de los compuestos que lo forman. Con las propiedades de los metamateriales, se podrían llevar a cabo numerosos avances en muchos campos como la alta velocidad, la medicina,  seguridad militar o fabricación de microscopios y telescopios más avanzados. También, con ellos se podría fabricar lentes planas que permitan enfocar luz en áreas muy pequeñas (más pequeña que la longitud de onda de la luz).

Una de las propiedades más llamativas es el índice de refracción negativo. Las ondas electromagnéticas sufren refracción cuando pasan de un medio a otro (ocurre al introducir un tenedor en un recipiente de agua). La mayoría de los materiales tienen un índice de refracción positivo. Para entender cual es la influencia de este cambio de signo podemos pensar lo que ocurriría con el tenedor al sumergirlo en un recipiente que contuviese un metamaterial. En esa situación, se doblaría hacia la superficie y no hacia en fondo, como sucede habitualmente.

El índice de refracción positivo, requiere uso de lentes curvas que distorsionan la luz, pero en el caso de metamateriales, al tener un índice de refracción negativo, se compensaría esta disfunción y se conseguirían, por ejemplo, microscopios más potentes. Además este signo del índice de refracción mejoraría el rendimiento de las antenas reduciendo interferencias y permite invertir el efecto Doppler . Este fenómeno es utilizado en los radares policiales para determinar la velocidad de los vehículos. Si se utilizasen metamateriales la frecuencia de onda decrecería a medida que se acerca el objeto, a la inversa de lo que sucede en nuestra vida cotidiana.

Estos dispositivos pueden fabricarse mediante técnicas basadas en la nanotecnología, y también, con otras basadas enl a microtecnologia. En la industria se necesitan metamateriales del orden de nanómetros a micras. Por ejemplo para aplicaciones ópticas se necesitan dispositivos de tamaños nanométricos a micrométros. Mientras que en el sector de las telecomunicaciones, los tamaños empleados varían desde micras a milímetros.

Por otra parte, el uso de metamateriales sería la base para conseguir objetos invisibles. Actualmente se están realizando estudios para una posible aplicación militar que supondría camuflar aviones o tanques, pero de momento estamos lejos de llegar a ese punto, pues los metamateriales son frágiles y fabricarlos a gran escala es un desafío para el que se necesita mucha investigación.

Simulación de un coche invisible

Links de interés:

http://www.ecuadorciencia.org/blog.asp?id=3165

http://singularidad.wordpress.com/2007/01/26/el-mundo-visto-a-traves-de-un-metamaterial/

http://ounae.com/escudo-de-invisibilidad-que-usa-metamateriales/

 La actividad investigadora del Departamento de Ciencia de Materiales de la Universidad Politécnica de Madrid, tiene como objetivo la caracterización de las propiedades mecánicas de materiales estructurales y su relación con la microestructura y con la aplicación de los materiales en elementos estructurales. Para la consecución de estos fines, los investigadores del Departamento cuentan con distintas instalaciones. Entre ellas cabe mencionar el Laboratorio de Ensayos Mecánicos, el Laboratorio de Microscopía, el Laboratorio de Análisis Computacional y los Servicios Auxiliares.

Una breve descripción de los equipos y capacidades disponibles se encuentra recogida en http://www.mater.upm.es/web/

Además, los investigadores del Departamento de Ciencia de Materiales mantienen una intensa colaboración con otros grupos de investigación y empresas, nacionales e internacionales, formando parte de varias redes nacionales (NanoMec, InvesCon e InfrasCon) y programas interuniversitarios de investigación de la Comunidad de Madrid (EstruMat) y del Ministerio de Educación y Ciencia (Consolider - Secdurec).

LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN

Hormigón, Rocas y Materiales Casi-Frágiles
La actividad investigadora en el campo de los hormigones, rocas y otros materiales casi-frágiles se ha centrado en el comportamiento termo-mecánico de estos materiales, con énfasis en el análisis de los procesos de fisuración y fractura y su relación con la respuesta estructural. Esto se hace desde la triple perspectiva de la determinación experimental de las propiedades mecánicas, la modelización de los mecanismos de deformación y rotura, y la simulación analítica y numérica de estos procesos. El grupo extiende su actividad al estudio del comportamiento a muy bajas temperaturas de materiales para la construcción de tanques de contención de fluidos criogénicos (típicamente, tanques de gas natural licuado).

Materiales Compuestos
La actividad investigadora en el campo de los materiales compuestos se ha centrado en el análisis de la relación entre la microestructura y las propiedades mecánicas en materiales compuestos avanzados y materiales cerámicos. Esta línea de investigación, con carácter multidisciplinar, aborda las investigaciones desde un punto de vista triple: caracterización del comportamiento mecánico, análisis a nivel microscópico y fractográfico de los mecanismos de deformación y rotura, y simulación (analítica o numérica) de estos procesos para obtener predicciones cuantitativas de las influencia de los parámetros microestructurales en el comportamiento mecánico a nivel macroscópico.

Dentro de este campo se vienen desarrollando distintas técnicas experimentales que permiten la caracterización de materiales estructurales y funcionales desde 77 K (se han realizado trabajos pioneros en la caracterización mecánica de superconductores de alta temperatura crítica) hasta 1950 K (en la imagen anexa se muestra el comportamiento superplástico de un cerámico a alta temperatura). Por otra parte, dentro de este campo hay una línea activa en la caracterización del comportamiento tribológico de materiales y recubrimientos.

Los resultados de la investigación dentro de este campo tienen interés desde el punto de vista de la Ciencia de Materiales y -al mismo tiempo- han permitido resolver problemas prácticos en el campo de las aplicaciones estructurales de los materiales.

Comportamiento Dinámico de Materiales
La actividad investigadora en este campo se ha centrado en varias líneas distintas que han discurrido de forma paralela, debido a la estrecha relación entre ellas. En primer lugar, el estudio de la influencia de la velocidad de deformación en las propiedades mecánicas de materiales, que debido a sus peculiaridades, requiere de técnicas experimentales específicas o herramientas de simulación numérica propias que han sido desarrolladas durante los últimos veinte años. Por otro lado, se analiza la simulación analítica y numérica de situaciones reales en las que la velocidad de deformación es una variable fundamental, como son las situaciones de impacto balístico o los efectos de explosivos. Los resultados de la investigación no sólo tienen interés desde el punto de vista de la Ciencia de Materiales, sino que al mismo tiempo han permitido una transferencia contrastada de resultados a la industrial.

Metálicos
La actividad investigadora dentro de esta área se dedica al comportamiento mecánico de los materiales mecánicos estructurales en condiciones que propician procesos de daño con pérdidas de resistencia y tenacidad: alta y baja temperatura, tensiones residuales, fragilización por hidrógeno, ambientes agresivos, soldaduras y cargas de fatiga. La relación entre la microestructura y el comportamiento macroscópico recibe especial atención en esta actividad.

El equipamiento científico disponible permite la caracterización de los materiales estudiados desde el punto de vista microestructural, la determinación de las tensiones residuales existentes, del contenido en hidrógeno, la realización de ensayos mecánicos en condiciones experimentales especiales y el análisis fractográfico de las roturas.

Entre las líneas de investigación más destacables del grupo están las siguientes:

• Fractura de materiales metálicos estructurales a alta y baja temperatura
• Corrosión bajo tensión de materiales férreos y aleaciones de aluminio
• Comportamiento mecánico de aceros de construcción bajo condiciones de fuego
• Fragilización por hidrógeno de aceros estructurales
• Tolerancia al daño de materiales metálicos estructurales irradiados.
• Medida de tensiones residuales por difracción de rayos-X, neutrones y radiación sincrotrón

Biomateriales
El estudio del comportamiento mecánico de materiales de origen biológico presenta gran interés desde un punto de vista básico, ya que permite evaluar si la naturaleza, en su evolución a lo largo de millones de años, ha encontrado soluciones óptimas para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales que quizás todavía no han sido desarrolladas para materiales sintéticos. En materiales biológicos la separación entre el papel del material y de la estructura, presente en la mayoría de los diseños sintéticos, no existe. Estructuras y materiales están perfectamente integrados en los seres vivos. La organización jerarquizada de la estructura a diferentes escalas (nano, micro, meso y macro) es inherente a la mayoría de los sistemas biológicos. El diseño de materiales jerárquicamente organizados es un avance conceptual muy importante y los materiales biológicos son espléndidos modelos para el diseño de nuevas estructuras con excelentes prestaciones.
Hay además un interés adicional en el estudio de estos materiales, y es que todo el proceso de síntesis del material se realiza a temperatura ambiente y presión atmosférica. Esto supone unas condiciones extraordinariamente favorables desde el punto  de vista  económico y de procesado  para la fabricación de  cualquier material difícilmente obtenible en los procesos industriales actuales.

Para terminar, hay que destacar que entre las actividades de este Departamento está la difusión de los resultados científicos y tecnológicos que se generan dentro del campo de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Con este motivo organizan desde hace seis años los Seminarios de Fronteras de la Ciencia de Materiales, que tienen lugar desde septiembre a junio, todos los lunes a las 9:30 de la mañana. El objetivo de estos Seminarios es servir de punto de encuentro, interacción y difusión de problemáticas actuales y destacadas dentro del área de la Ciencia e Ingeniería de Materiales; con una visión amplia que va desde los materiales biológicos a los materiales funcionales, pasando por aplicaciones puramente tecnológicas. En ellos se cuenta con la participación desinteresada de relevantes investigadores y tecnólogos de Universidades, Empresas y Centros de Investigación del ámbito nacional e internacional.

Por Carola Alonso de Celada

El otro día os hablaba sobre la publicación en la revista Nanoletters de un artículo sobre un sensor basado en nanotubos de carbono que sería capaz de medir la masa de una proteína. Hoy os prsento algunos detalles más sobre esa investigación. Los investigadores han probado el dispositivo midiendo la masa de átomos de cromo evaporados, y los resultados, según explican en el artículo son excepcionales.

La diminuta masa de los nanotubos de carbono (unos atogramos) es la clave para convertirles en sensores ultrasensibles, ya que cualquier cantidad de masa que se incorpore a los tubos será detectada. Además, los nanotubos son mecánicamente ultrarrígidos, y eso les convierte en excelentes candidatos para ser usados como materiales resonadores: http://www.portalciencia.net/nanotecno/nanotubos.html

Tras este estudio, el investigador del CSIC y sus colaboradores trabajan ya en la mejora del dispositivo, y, en un futuro, pretenden alcanzar una resolución de 0,001 zeptogramos, la masa de un núcleo de un átomo.

Se da la circunstancia de que el desarrollo de estos investigadores ha coincidido en el tiempo con otros de similares características: dos grupos estadounidenses, el primero en la Universidad Técnica de California (Cal Tech) y el otro en la Universidad de Berkeley (California). Ambos han desarrollado sensores de masa basados en nanotubos de carbono, aunque con ligeras diferencias entre los métodos empleados. El trabajo de los tres grupos fue destacado  recientemente en un artículo de la revista Nature Nanotechnology http://www.nature.com/nnano/index.html.

En la página web del grupo del profesor Zettl de la Universidad de Berkeley puede encontrarse más información sobre el sensor de masa que han desarollado. En la siguiente imgen podemos ver un esquema del mecanismo de detección de los átomos en este nuevo sensor. Se basa en el principio de una balanza inercial, que consiste en una masa unida a un muelle que es libre de oscilar. Midiendo los cambios en la frecuencia de oscilación se puede obtener información sobre la masa.

Átomos de oro cayendo sobre un nanotubo de carbono. Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley.

Este grupo concluye que su sensor de masa basado en nanotubos de carbono presenta tres ventajas respecto a los espectómetros habituales:

• Las muestras que se desean medir no son ionizadas durante el proceso.
• El sensor es más sensible a masas mayores en comparación con los espectrómetros habituales.
• El dispositivo empleado es compacto y podría incorporarse a circuitos integrados.

Por otra parte, el sensor desarrollado en el Caltech's Kavli Nanoscience Institute se basa en un resonador nanoelectromecánico (NEMS). La frecuencia a la que vibra es directamente proporcional a la masa de las moléculas que detecta. La imagen, obtenida con un microscopio de barrido, corresponde con uno de los dispositivos NEMS empleados en el experimento.

Por Carola Alonso de Celada

¿Cómo es posible detectar algo que pesa poco más de la milésima de la millonésima de la millonésima de la millonésima parte de un gramo? Científicos en Cataluña han diseñado un sensor capaz de medir con resolución inédita hasta el momento diminutas cantidades de masa a nivel atómico, como la de las proteínas, cercanas a un zeptogramo.

Este trabajo, consistente en un sistema basado en nanotubos de carbono, aparece publicado en la revista Nanoletters http://pubs.acs.org/journal/nalefd y supone un paso más en la búsqueda de espectrómetros de masas que permitan a los científicos medir con una resolución atómica algo tan pequeño como la masa de una proteína. La investigación ha sido dirigida por Adrián Bachtold, del Centro de Investigación en Nanotecnología y Nanociencia (centro mixto del CSIC y el Instituto Catalán de Nanotecnología) http://www.dicat.csic.es, en Barcelona, con la participación de la Universidad Politécnica de Cataluña.

El sensor se basa en un nanotubo de carbono, de un nanómetro de diámetro, que está fijado por ambos extremos a dos electrodos. El dispositivo actúa como un resonador mecánico caracterizado con una frecuencia de resonancia determinada, como si fuera la cuerda de una guitarra. Cuando los átomos se dirigen hacia el nanotubo, lo golpean y se adhieren a su superficie. Esto incrementa la masa del nanotubo, reduciendo así su frecuencia de resonancia. Esta ralentización de la vibración es lo que sirve para cuantificar la masa de los átomos.

Imágenes del setup experimental del sensor de masa: a) Esquema del sensor, b) Imagen de microscopio electrónico de barrido del sensor. Referencia: B. Lassagne et al., Nano Lett. 8, 3735 (2008).

Uno de los retos pendientes de la nanotecnología y la nanomecánica es precisamente éste, disponer de un sensor de masa para poder trabajar a nivel subatómico. Lo máximo que se habían conseguido hasta la fecha eran sensores, basados en resonadores de silicio http://www.ejournal.unam.mx/rmf/no472/RMF47202.pdf, que habían logrado resoluciones de unos 7 zeptogramos a temperaturas de 4,2 grados kelvin, pero el diseñado ahora podría detectar cantidades de masa, como la que tienen las proteínas y otras unidades con una resolución atómica. A temperatura ambiente, el dispositivo tiene una resolución de 25 zeptogramos, pero cuando se enfría hasta 5 grados Kelvin su resolución mejora sensiblemente: logra captar masas de hasta 1,4 zeptogramos.

Un sensor de esta resolución permitiría detectar pequeñísimas cantidades de masa. Por ejemplo, permite medir la masa de proteínas y otras 
moléculas con una resolución atómica. También serviría para monitorizar reacciones nucleares en átomos individuales, o reacciones químicas en moléculas biológicas.

Por Úrsula Carvajal

En relación al post que publiqué recientemente sobre el desarrollo de un transistor FET basado en papel se nos plantea una pregunta: si las propiedades son similares a otros transistores ¿Qué interés aporta el uso de papel como sustrato en un FET? Al tratarse de papel, nos encontramos ante un apoyo flexible para el transistor, mucho más ligero y delgado. El coste se disminuye considerablemente, ya que sobre el papel el proceso tiene lugar a temperatura ambiente mientras que en la oblea de silicio se requieren 1200 ºC, además, la celulosa se descompone y recicla fácilmente. Al poder construirse sobre y usar como semiconductor papel, estos transistores se prestan a muchas aplicaciones modernas como ser circuitos RFID y otras aplicaciones en las que el reciclaje o trabajo con papel sea importante. Por lo que esto abre innumerables nuevas posibilidades para circuitos flexibles y descartables.

Transistor de papel desarrollado en la Universidad de Lisboa

Según esto, nos podemos imaginar infinidad de posibilidades como pantallas de papel que cuando se rompiesen se reciclasen o también podrían usarse como sistema de seguridad en papeles importantes como cheques, billetes de avión, acciones, etc. La principal desventaja del uso del papel en este tipo de transistores es que son menos resistentes que los que utilizan silicio.

Recientemente, ha habido un creciente interés en el uso de biopolímeros para fabricar instrumentos de bajo costo, y dado que la celulosa es el biopolímero más abundante en la naturaleza, era lógico intentar utilizarlo con estos fines. Sin embargo, nadie había tenido éxito hasta el momento.

Tal vez en un futuro no muy lejano tengamos gadgets cuyo principal componente sea el papel, o dispositivos como etiquetas, pantallas y envolturas inteligentes.

Links de interés:

Página web de la Universidad de Lisboa donde se anuncia el desarrollo de este dispositivo: http://www.unl.pt/investigacao/em-foco/transistores-com-papel

Blog donde podéis encontrar un video sobre este dispositivo:  http://poressemundoadentro.wordpress.com/2008/12/

Por Úrsula Carvajal

¿Qué es un transistor ? Los transistores son pequeños dispositivos eléctricos que permiten amplificar la corriente eléctrica que pasa por ellos, y que, según sea necesario, pueden permitir o interrumpir el paso de dicha corriente. Los transistores están en prácticamente la mayoría de los dispositivos de uso diario, desde radios, mp3, móviles, microondas o automóviles, hasta otros más sofisticados como, ordenadores, calculadoras etc. El transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor o FET, en inglés) es en realidad una familia de transistores que se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta (gate) permite hacer que fluya o no corriente entre drenador (drain) y fuente (source).

Un grupo de investigadores de la Universidad de Lisboa ha encontrado una manera de usar papel como un componente básico para la fabricación de un transistor de efecto de campo. Pues bien, hasta ahora se habían logrado fabricar transistores sobre papel, pero nunca se había usado este como aislante, las pruebas concluyeron sorprendentemente que estos transistores tienen el mismo rendimiento y comportamiento que otros desarrollados con materiales como el cristal o el silicio cristalizado como sustratos (TFTs ), y aportan una forma interesante de desarrollar dispositivos electrónicos desechables.

En concreto, en el artículo publicado en la resvista IEEE Electron Device Letters 29, vol. 9, sept. 2008 por E. Fortunato et al. se propone el siguiente dispositivo FET

El diélectrico (o aislante) es en este caso celulosa, que es el principal biopolímero de la Tierra. Actualmente, existe un creciente interés en la industria electrónica por emplear dispositivos basados en biopolímeros debido a que son materiales bastante baratos. En palabras de Elvira Fortunato, coordinadora de la investigación, "en los dispositivos del artículo usamos papel vegetal, pero lo hemos hecho con papel de fotocopias", lo que demuestra la fácil financiación de este tipo de dispositivos.

Links de interés:

Página web de la Universidad de Lisboa donde se anuncia el desarrollo de este dispositivo: http://www.unl.pt/investigacao/em-foco/transistores-com-papel

Blog donde podéis encontrar un video sobre este dispositivo:  http://poressemundoadentro.wordpress.com/2008/12/