Un power Poin d'un amic a l'abast de tothom.

1. MATERIALS
OBJECTES
TECNOLOGIA
Ciències per al món contemporani
1r Batxillerat

2. • 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

3. 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

4. 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 ...” ?

5. 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

6. • 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.

7. DONAR RESPOSTES A NOVES NECESSITATS
• 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.

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 2. ELS MATERIALS
• Els materials són les • Aquestes propietats es poden
substàncies que classificar en:
componen els objectes
que ens envolten
PROPIETATS
• Cada material té unes
propietats MECÀNIQUES
físiques, químiques i
mecàniques que el fan ELECTRO
MAGNÈTIQUES
més adequat per a un ús
determinat. TÈRMIQUES
ÒPTIQUES
• La manipulació dels
materials és un procés QUÍMIQUES
molt complex que implica
comprendre les seves ACÚSTIQUES
propietats.

14. PROPIETATS MECÀNIQUES
MAL·LEABILITAT: L’alumini
DENSITAT com molts altres metalls es
força mal·leable, se’n poden
DURESA: El diamant és fer làmines molt fines.
el material més dur que es
coneix. S’utilitza en ELASTICITAT: La fibra de
màquines carboni és molt flexible:
abrassives, perforadores i permet construir objectes
de tall. capaços d’aguantar forces
TENACITAT: L’acer és molt grans sense trencar-se
tenaç, suporta cops sense
trencar-se. S’utilitza en PLASTICITAT: El material
eines. que forma la plastilina es
pot modelar fàcilment sense
que es trenqui
DUCTILITAT: Els metalls
són molt dúctils i es
RESISTÈNCIA: a la
poden produir fils molt
compressió, a la tracció, a
fins.
la torsió i a la flexió

15. 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).

16. PROPIETATS TÈRMIQUES
TEMPERATURA DE FUSIÓ: CONDUCTIVITAT TÈRMICA: la
el wolframi s’utilitza en el baquelita condueix molt
filament de les bombetes per malament el calor, és un bon
la seva elevada temperatura aïllant tèrmic, per això s’utilitza
de fusió. en els mànecs dels estris de
cuina.
CAPACITAT DE DILATACIÓ: CALOR ESPECÍFIC: Els plats
En molts termostats s’empren de terrissa, gràcies a la seva
dues làmines de metalls que calor específica elevada,
es dilaten de manera diferent conserven el menjar calent
quan s’escalfen durant més temps.

17. 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.
PROPIETATS ÒPTIQUES
En persones amb moltes diòptries, per
no augmentar molt el gruix de les
ÒPTIQUES lents s’utilitzen “vidres” amb ÍNDEX
DE REFRACCIÓ més alts
COLOR
TRANSPARÈNCIA
Les parets de les
REFLEXIBILITAT
LÀMPADES
FLUORESCENTS
reemeten la llum
ÍNDEX DE
REFRACCIÓ Els CRISTALLS LÍQUIDS
quan hi incideix la
deixen passar o no una part
de la llum segons si estan
BRILLANTOR sotmesos o no a un corrent llum ultraviolada
elèctric. Així es formen els
caràcters llegibles a les
FLUORESCÈNCIA pantalles de calculadores.
POLARITZACIÓ
DE LA LLUM
El PLÀSTIC utilitzat en senyals viaris o en armilles de seguretat reflecteix molt bé la llum.

18. 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
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

19. CLASSIFICACIÓ DELS MATERIALS
• Els materials es classifiquen en els següents grups:
MATERIALS
METALLS
I POLÍMERS CERÀMICS COMPOSTOS
ALIATGES
FÈRRICS TERMOPLÀSTICS VIDRES MATRIU
Acers TERMOESTABLES VITROCERÀMIQUES REFORÇ
Fosses ELASTÒMERS ARGILES
NO FÈRRICS REFRACTARIS
Metalls pesants ABRASIUS
Aliatges lleugers CIMENTS
CERÀMIQUES
AVANÇADES

20. 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

21. 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).

22. POLÍMERS
• 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

23. Classificació dels plàstics:
Nom Abreviatura Usos Propietats
Tereftalat de PET / PETE Ampolles de gasosa, refrescos Baix cost
Mylar Processament per bufament,
polietilè injecció o extrusió
Excel·lents propietats mecàniques
Actua com a barrera davant dels
gasos
Polietilè PEAD / HDPE Recipients per a menjar Molt resistent davant la compressió,
Ampolles de detergent la tracció i la tensió
d’alta Ampolles de llet Resisteix temperatures baixes
densitat Pròtesis d’articulacions Molt lleuger
Policlorur de PVC Canonades Molt resistent i lleuger
Senyalització Molt versàtil
vinil Finestres Inert (aplic. sanitàries)
Es pot reciclar
Polietilè PEDB / LDPE Safates Cost baix
Bosses d’escombraries Flexible, transparent i lleuger
d’alta Capses de plàstic tou No és tòxic
densitat Anelles de transport de les Impermeable
llaunes de refresc Fàcil de processar
Polipropilè PP Aïllant de cables elèctrics Lleuger
Carpetes Resistent
Bijuteria Transparent
Resisteix temperatures altes sense
degradar-se
Poliestirè PS Escuma de poliestirè expandit Cost baix
(suro blanc), embalatges Bon aïllant tèrmic i elèctric
Construcció Opac i transparent
Densitat molt baixa

24. 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

25. 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,

26. 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
Kevlar: Metàl·lica Partícules
família de
Polimèrica Fibres
plàstics amb
fibra Ceràmica Estructural
de vidre

27. • 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.

28. 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.
Els nous materials són un dels exemples més notables de la relació
entre el desenvolupament científic i tecnològic, la creativitat i la innovació
• S’està a punt per dissenyar i construir materials “fets a mida” per
necessitats específiques: és la revolució de la Ciència de Materials.

29. 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 GRAFIT
Presenta una estructura Àtoms cristal·litzen en làmines
cristal·lina del sistema cúbic que se separen fàcilment

30. 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 L’Airbus A380, l’avió de
s’altera per la corrosió ni el passatgers més gran que existeix.
foc
Alguns components com les bigues centrals
de fusellatge i les ales estan fabricades amb
• La indústria del carboni té materials compostos de fibra de carboni que
múltiples aplicacions: l’esport, són més lleugers que l’alumini i més
l’aeronàutica, la indústria resistents que el titani, pel què resulten més
aeroespacial, els transports, adients pels grans esforços que han de
la medicina i la construcció. suportar les ales d’aquesta avions gegants.

31. 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, Boeing 787
pals de vaixells, canyes de pescar,
raquetes, etc.
“Dreamliner”
El 50% del Boeing 787 és de
• Es fabrica a partir de quitrans derivats del fibra de carboni
petroli

32. 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”

33.  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)

34.  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

35. Noves tecnologies:
• 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

36. La tecnologia làser
 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.
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”

37. El microscopi d’efecte túnel
 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.
 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.

38. 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.

39. 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))

40. De què parlem?
 A aquesta escala, la matèria presenta propietats
noves i desconegudes.
 Nous paradigmes, noves eines, noves
propietats i aplicacions, nous productes i
tècniques…
 La nanotecnologia és multi i interdisciplinar:
Física Enginyeria
Química Ciència de materials
Biologia

41. La nanotecnologia és multidisciplinar:

42. Richard Feynman (Nobel de física 1965)
Any 1959 !

43. 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

44. Consideracions 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

45.  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????

46. 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)

47. 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

48. 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 Al 1985 un grup de científics va
(C60). sintetitzar esferes de carboni pur
que van anomenar Buckyball o
• Els ful·lerens en forma de fulerene. Premi Nobel de química
nanobaló van deixar pas als el 1996
ful·lerens en forma de tub o
nanotubs.

49. 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 Al 1985 un grup de científics
va sintetitzar esferes de
o semiconductors depenent com carboni pur que van anomenar
s’enrotlli les làmines de carboni Buckyball o fulerene. Premi
(bandgap sintonitzable) Nobel de química el 1996

50. • 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.
Els nanotubs han estat un gran
avenç tecnològic, i obre unes
possibilitats a l’electrònica que ara
mateix ja estan revolucionant la
nostra vida quotidiana
La nanociència ha obert les portes a la
nanotecnologia i el futur és a l’abast de la mà

51. • 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.
Engranatge de nanotubs de
• Podem dissenyar un material adequat per a un funció Carboni de baixa fricció
específica, i només per aquesta funció, que es
comportarà d’una manera determinada tan sols en una http://nanoengineer1.com/
situació determinada. content/

52. 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

53. Algunes aplicacions

54. Memòries més denses (DVD’s amb milions de
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

55. Innovació en materials diversos
http://www.upc.edu/enclauupc/les-nanofibres
 Teixits resistents a taques (hidròfobs)
Nanofibres que creen un coixí d’aire al voltant de les
fibres, actuen com la pell del préssec
Nano-Care fabrics with water, cranberry juice,
vegetable oil, and mustard after 30 minutes
Teixits que no es taquen; (left) and wiped off with wet paper towel (right)
Els líquids rellisquen

56. Recobriments
– Repel.lents de l’aigua i la brutícia
Mercedes covered with tougher,
shinier nanopaint

57. Nanopartícules/nanotubs en molts productes i
aplicacions
Nanomaterials per a la construcció material esportiu
(raquetes, pilotes de tennis), productes de cosmètica,
etc.

58. 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 autoreparables
i 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)

59. • 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

60. 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.

61. El futur?
Invenció del Descobriment de There’s plenty of Invenció del STM
transistor l’estructura del ADN room at the Carbon nanotubes
bottom

62. 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

63. 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

64. 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 didácticas
Ed. 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