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Historia de los Materiales del Futuro
 

Historia de los Materiales del Futuro

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Transparencias de Pedro Gomez Romero

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    Historia de los Materiales del Futuro Historia de los Materiales del Futuro Presentation Transcript

    • Historia de los materiales del futuro Dr. Pedro Gómez-Romero
    • ……. “Use otro metal en lugar de hierro.” Soñadores “¿Cobre?” dijo Morgan “¡No! sería demasiado pesado. Tengo algo mejor que proponerles.” de futuro “¿Entonces qué?” preguntó el mayor “¡Aluminio!” replicó Barbicane. “¿Aluminio?” exclamaron sus tres colegas a coro. “Sin duda, mis queridos amigos. Ese valioso metal es blanco como la plata, indestructible como el oro, tenaz como el hierro, fusible como el cobre y ligero como el vidrio. Se trabaja fácilmente y es abundante por doquier, ya que constituye la base de numerosas rocas, es tres veces más ligero que el hierro, y parece haber sido creado con el expreso propósito de proporcionarnos el material para nuestro proyectil. “Pero, mi querido presidente” dijo el mayor “¿no es el precio del aluminio extremadamente alto?" "Lo era", respondió Barbicane. “ poco después de su descubrimiento la libra de aluminio costaba entre 260 y 280 dólares, después cayó a 27 dólares, y hoy, por fin, vale 9 dólares” "pero 9 dólares la libra, respondió el mayor, que no se rendía fácilmente, es todavía un precio enorme" "sin duda, mi querido mayor, pero no inabordable"………….. Jules Verne Extracto de la novela “De la Tierra a la Luna”, capítulo 7. (1828-1905) Julio Verne, 1865
    • Los padres del Aluminio 1808: Sir Humphrey Davy (Britain) discovered it and named it - Aluminum. 1821: P. Berthier (France) discovered a hard, reddish, clay-like material containing 52 per cent aluminum oxide near the village of Les Baux in southern France. He called it bauxite – 1825: Hans Christian Oersted (Denmark) produced very small quantities of aluminum metal (impure alloy) by mixing dilute potassium amalgam with anhydrous aluminum chloride. 1827: Freidrich Wohler (Germany) developed a method for producing pure aluminum powder through a chemical reaction between potassium and anhydrous aluminum chloride. 1845: Wohler determined the specific gravity of aluminum (2.7) which illustrated one of its unquie physical properties - it was extremely light compared to most metals known. 1854: Henri Sainte-Claire Deville (France) create the first commercial process for producing aluminum which - at that time - was more valuable than gold. 1855: A bar of aluminum was exhibited alongside the Crown Jewels at the Paris Exhibition. 1885: Hamilton Y. Cassner (USA) improved on Deville's process for producing aluminum and 15 tons were produced that year! 1886: Paul Louis Toussaint Heroult (France) and Charles Martin Hall (USA), working separately and unaware of each other's work, simultaneously invented a new electrolytic process (eventually called the Hall-Heroult process) which is the basis for all aluminum production today. By dissolving alumina in a bath of molten cryolite and passing a powerful electric current through it, molten aluminum would be deposited at the bottom. 1888: The first aluminum companies were founded in France, Switzerland and the USA 1889: Freidrich Bayer (Austria), son of the founder of the Bayer chemical company, invented the Bayer Process for the large scale production of alumina from bauxite.
    • Napoleon III, Aluminio en la mesa y en la mente del emperador de Francia 1854: Henri Sainte-Claire Deville (Francia) Crea el primer proceso comercial para producir Aluminio ... Un metal más valioso que el ORO Exposición de París en 1855
    • Aluminio Un metal que no tenia precio
    • Creadores de futuro Paul Louis Toussaint Al Charles Martin Hall Héroult (1863-1914) 1886 Henri S.C. Deville (1863-1914) (1818-1881) 1854: Henri Sainte-Claire Deville (Francia) Crea el primer proceso comercial para producir Aluminio ... Un metal más valioso que el ORO
    • Evolución histórica del precio del aluminio 1852 1400 1200 1200 precio ($/Kg) 1000 800 600 1855 400 250 1859 1886 1900 1909 200 40 15 1.5 0.6 0 1840 1860 1880 1900 1920 año
    • Evolución histórica del precio del aluminio 10000 1852 1200 1855 1000 250 precio ($/Kg) 1859 Deville, 1854 40 1886 100 15 Expo Paris, 1855 1900 10 Verne, 1865 1.5 1909 Hall/Héroult, 1886 Alcoa, 1888 0.6 1 0.1 1840 1860 1880 1900 1920 año
    • 1852: 1200 $ / Kg 1854: Henri Deville 1855: Exposición de París en 1855 1859: 40 $ / Kg Priceless 1865: Verne "de la Terre a la Lune " 1886: Hall/Héroult 1888: Hall funda la Pittsburgh Reduction Company, conocida después como la Aluminum Company of America, or Alcoa. 1888 : 25 Kg/dia 1909: 41000 Kg/día 0.60 $ / Kg worthless
    • •La historia está muy bien pero…. ¿…y el futuro? Análisis prospectivo de nuevos materiales •Cómo trabajaremos en el futuro •En qué trabajaremos en el futuro •Tendencias generales
    • Historia Universal de los Materiales
    • Revolución industrial e- Teoría atómica puntos cuánticos Agricultura, ganadería nanotubos C fullerenos superconductores alta Tc cerámicas funcionales conductores transparentes (ITO) aleaciones avanzadas materiales ópticos semiconductores III-V (GaAs) germanio, silicio óxidos electroactivos aluminio Fuego acero materiales magnéticos (Fe, ... NdFeB) hierro vidrio bronce cobre (plata, oro) cerámica piedra cemento madera hueso, marfil... plásticos (polímeros) caucho caucho sintético materiales compuestos cristales líquidos polímeros conductores materiales moleculares materiales híbridos biomateriales años antes del presente 100 1,000 10,000 100,000 10 1,000,000
    • Tendencias ¿Cómo está cambiando el paisaje de los materiales? •Crecimiento explosivo (exponencial?) •Crecimiento •Asociado a revoluciones científicas •Asociado científicas •Sustentado en la retroalimentación CTS •Sustentado retroalimentación •Aumento de la variedad •Aumento •Tecnodiversidad •Tecnodiversidad •Ultraespecialización frente a multidisciplinariedad •Ultraespecialización •Cambios de énfasis •Cambios énfasis •de materiales estructurales •de funcionales •de la composición a la microestructura •de composición •de las toneladas a los nanometros •de
    • Tendencias •Crecimiento explosivo (exponencial?) •Crecimiento
    • Revolución industrial e- Teoría atómica puntos cuánticos Agricultura, ganadería nanotubos C fullerenos superconductores alta Tc cerámicas funcionales conductores transparentes (ITO) aleaciones avanzadas materiales ópticos semiconductores III-V (GaAs) germanio, silicio óxidos electroactivos aluminio Fuego acero materiales magnéticos (Fe, ... NdFeB) hierro vidrio bronce cobre (plata, oro) cerámica piedra cemento madera hueso, marfil... plásticos (polímeros) caucho caucho sintético materiales compuestos cristales líquidos polímeros conductores materiales moleculares materiales híbridos biomateriales años antes del presente 100 1,000 10,000 100,000 10 1,000,000
    • e- Teoría atómica p. cuánticos nanotubos C fullerenos supercond HTc cerámicas funcionales conductores transp. (ITO) aleaciones avanzadas materiales ópticos Revolución industrial Semicond.III-V(GaAs) Agricultura, ganadería germanio, silicio óxidos electroactivos aluminio acero materiales magnéticos (Fe, ... NdFeB) hierro Fuego vidrio bronce cobre (plata, oro) cerámica piedra cemento madera hueso, marfil... plásticos (polímeros) caucho materiales compuestos cristales líquidos polímeros conductores materiales moleculares materiales híbridos biomateriales 600,000 400,000 0 800,000 200,000 1,000,000 años antes del presente
    • Crecimientos exponenciales
    • ¿Exponencial? Sigmoide
    • Evolución tecnológica Tramos evolutivos sigmoidales Nueva tecnología Transición - compleja Tecnología antigua Prestaciones Tiempo
    • Ley de Moore Gordon Moore (co-fundador de Intel) predijo en 1965 que la densidad de transistores en los chips de semiconductores se doblaría aproximadamente cada 18 meses.
    • Ley de Moore
    • El primer transistor… …y sus inventores J. Bardeen, W. Shockley, W. Brattain (1947)
    • Ley de Moore
    • 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 4096 8192 16E3 33E3 65E3 13E4 26E4 52E4 10E5 21E5 42E5 84E5 17E6 33E6 67E6 13E7 27E7 54E7 11E8 21E8 Ley de Moore 9E18
    • La Ciencia de Materiales al rescate de la Ley de Moore nanotecnología
    • nanotecnología macro Física, Ingeniería mm Top-down (descendente) micro µm Biología nano nm Bottom-up (ascendente) Química 1900 2000
    • nanotecnología descendente
    • Heinrich Jaeger and Ward Lopes Nature, Dec. 13 2001 nanotecnología ascendente
    • ascendente Engranaje molecular Planetary gear (simul.) K. Eric Drexler. Inst. Molec. Manufacturing and Ralph C. Merkle Xerox PARC.
    • Tendencias •Cambios de énfasis •Cambios énfasis materiales estructurales frente a funcionales
    • Nuevos materiales para Nuevos mundos
    • La Estación espacial internacional: Retroalimentación entre el desarrollo científico PARA la ISS y el desarrollo científico GENERADO en la ISS Paneles solares. Semiconductores, conversión fotovoltaica Pilas de combustible Ensayos en microgravedad Cristalización
    • Ciencia de materiales. El reto del cemento lunar
    • De vuelta a la Tierra Problemas de baja tecnología La maldición del rojo Ni la dama ni el caballero de esta cerámica parecen muy contentos con el color rojo quebrado de su rosa. Detalle del plafón polícromo "La chocolatada", Barcelona, s.XVII.(Museo de Cerámica de Barcelona)
    • Problemas de baja tecnología
    • La maldición del rojo sulfoseleniuro de cadmio CdSe1-xSx Cadmio Tóxico. Nuevas regulaciones Matisse, La dance
    • La maldición del rojo Ca(1-x)LaxTaO(2-x)N(1+x) serie de compuestos que van del CaTaO2N (x=0) amarillo al LaTaON2 (x=1) rojo. M. Jansen, H.P. Letschert; Nature Vol. 404, 27 April 2000, p.980
    • •CAMBIOS de énfasis y… •NUEVOS énfasis: Aspectos medioambientales •Evaluación medioambiental en prospectiva de materiales •Reciclado. Ciclo integral •Nuevos procesos de fabricación benignos con el medio ambiente
    • Gran Ciencia frente a ciencia libre o La ciencia divertida frente a la ciencia utilitaria ¿tiene eso algo que ver con el desarrollo de materiales?
    • serendipia
    • Serendipity: “the faculty or phenomenon of finding valuable or agreeable things not sought for” Etymology: from its possession by the heroes of the fairy tale “The Three Princes of Serendip” Date: 1754 Serendipia Serendipia. Descubrimientos accidentales en la ciencia Royston M. Roberts. Traducción: Jesús Unturbe Sanchiz 1989 John Wiley & Sons, 1992 Alianza Editorial. http://www.cienciateca.com
    • Serendipia de materiales La vulcanización del caucho
    • Charles Goodyear 1800-1860 Vulcanización del caucho
    • Serendipia de materiales El primer tinte sintético
    • Sir William Henry Perkin (1838-1907)
    • 1856 Intento de síntesis de Quinina (C20H21N2O2) por oxidación de la anilina. En su lugar.... William Henry Perkin (1838-1907) en 1852 mauveína
    • 1857 Fábrica Perkin & Sons cerca de Londres
    • Ejemplos recientes de Serendipia de materiales Cómo ganar un premio Nobel con un balón de fútbol
    • Sussex, England, 1970s Harry Kroto and Dave Walton
    • USA, Richard Smalley. Evaporación con láser ... clusters
    • 1985, Kroto and Smalley colaboran... cadenas más largas?
    • Kroto, Curl and Smalley Nobel de Química 1996 for their discovery of fullerenes.
    • nanobalón 1nm = 0.000000001 m
    • nanotecnología
    • Más ejemplos recientes de serendipia de materiales plásticos que conducen la electricidad Combinaciones insospechadas La riqueza científica de las interfases Interdisciplinariedad
    • Polímeros Conductores 2000 Premio Nobel de Química "for the discovery and development of conductive polymers" Hideki Shirakawa Alan GMacDiarmid Alan J Heeger
    • 1970s Laboratorio del Dr. Shirakawa, Japón especialista en poliacetileno Síntesis por error! Un asistente emplea 1000 veces la cantidad necesaria de catalizador... Un material polimérico y brillante (nueva forma de poliacetileno ) Polinitruro de azufre (SN)x exótico material conductor (brillante) McDiarmid Penn State Univ. USA Heeger
    • Presenta una conferencia en Japón Menciona el polinitruro de azufre (SN)x McDiarmid Cofee break ! Dr. Shirakawa, invitado a USA
    • Penn State Univ. USA Polinitruro de azufre (SN)x se dopa con iodo McDiarmid Probemos a dopar con iodo el nuevo poliacetileno Heeger Shirakawa En unos minutos la conductividad del poliacetileno aumenta 10,000,000 veces
    • Polímeros Conductores Table 1. Estructura y cronología de polímeros conductores Nombre Añoa Estructurab Ref Poliacetileno PAc 1977 3 Poli(p-fenileno) PPP 1979 4 Poli PPV 1979 5 (p-fenilenovinilideno) Polipirrol PPy 1979 H N H N 6 N N N H H H Polianilina PAni 1980 N N 7 N N Politiofeno PT 1981 S S 8 S S S Polifurano PF 1981 O O 8 O O O a Año de su publicación como polímero conductor b Estructura lineal idealizada.
    • ¿Cómo de conductores son los Polímeros Conductores? http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2000
    • •Cómo trabajaremos en el futuro •Interdisciplinariedad •Rapidez •Flexibilidad …
    • •En qué trabajaremos en el futuro •Temas aplicados/orientados… …y Temas básicos y esencialmente fundamentales •Ultraespecilización, Grandes equipos… …y Visión generalista •Variedad
    • Claves Info- nano- bio- materiales
    • Biomateriales
    • Nuestra capacidad de diseñar nuevos materiales y sistemas está limitada sobre todo por nuestra limitada imaginación
    • Lo mejor está todavía por descubrir... ...esperando a los nuevos creadores de futuro... ustedes
    • http://www.cienciateca.com