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Materiales Inorgánicos:
de la Prehistoria al siglo XXI
                                Emilio Morán

            Departame...
1.Definiciones




  “Materiales”: 62.000.000 entradas en Google


“Materials”:      317.000.000
                   entrad...
(Diccionario de la lengua RAE)
                 Material:
•   (Del lat. materiālis).
•   1. adj. Perteneciente o relativo ...
2. HISTORIA




Flechas y herramientas de sílex.
17000 a.C.
www.museuprehistoriavalencia.es
Cuevas de Altamira. Bisonte. 13000 a. C. Fe2O3 + C +....




         Edad del bronce (Cu/Sn):
         3000-800 a.C.
Tesoro de Villena.
Siglo XI a.C.
(Au)




Edad del Hierro:
1400 a. C. hasta 1950 d.C. (?)
Cerámica campaniforme. 1800-2200 a.C.
    www.museuprehistoriavalencia.es




Vaso campaniforme. Ciempozuelos (Madrid),
Ed...
Cerámicas griegas , siglo VI a.C.


 piezas de arcilla moldeada, endurecida por el calor.
Su composición suele ser:
dióxid...
Porcelana
Origen: China, s. VII-VIII a.C.

Base: Caolín, T>>>




                                  Formación militar del
...
VIDRIO: (SiO2 + aditivos) Egipto, Fenicia 1500 a.C.




Cementos, Hormigón, Yeso….




                                   ...
Nuevos Materiales (s. XXI)




                   HISTORIA DE LA HUMANIDAD

     « Era »        Años            Avance    ...
3. Clasificaciones




Tipos de Materiales:
• Naturales: de origen mineral, vegetal o animal.
• Artificiales: Metales, cer...
Material: “Sólido útil”




Cerámicas                                Polímeros
                        Metales




       ...
MECÁNICAS                                ELÉCTRICAS




 QUÍMICAS          PROPIEDADES                MAGNÉTICAS




     ...
Materiales inorgánicos. Propiedades eléctricas:
      Materiales inorgánicos. Propiedades eléctricas:

Conductividad Elect...
Materiales inorgánicos. Propiedades ópticas:
      Materiales inorgánicos. Propiedades ópticas:

•Pigmentos TiO2, Cr2O3, s...
5. Estrategias en la
            preparación de materiales



 •Motivación: ¿qué preparar?, ¿para qué?
 •Procedimientos: ¿...
Materiales por necesidad. Ej.:



   Materiales para la energía:
   Materiales para la energía:
   •Fotovoltaicos
   •Foto...
Estrategias en la preparación de materiales:
          en función de la composición


• Haluros, OXIDOS, sulfuros, nitruro...
Estrategias en la Preparación de Materiales
 Estrategias en la Preparación de Materiales

I: Misma composición, distinta e...
ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
   ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
           II) Cambios de c...
Estrategias en la Preparación de Materiales
       Estrategias en la Preparación de Materiales

  II: Misma estructura, di...
ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
     ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
         Cambios de compo...
Fases Metaestables.
Fases Metaestables. Química “suave”
                       Química “suave”
Ej.:
Ej.: Intercalación en ...
Polvo                monocristales    películas
policristalino                            delgadas



      Estrategias en...
Paneles solares de Silicio (amorfo)




    Cuarzo: α-SiO2
    (cristalino)
                              Vidrio: SiO2
   ...
Antecedentes
                   NANOMATERIALES

   •Los materiales en forma de nanopartículas (Ø≤100 nm)
   presentan prop...
Zeolitas:¿Materiales de Diseño?




    Aluminosilicatos         Imagen microscopía e-


   “Nanoreactores”: aplicación en...
6. Materiales Superconductores

Un ejemplo reciente:
Las diversas familias de cupratos superconductores
¿qué pistas se han...
Kammerlingh-Onnes y Holz (Leiden, 1911)

Progresión a lo largo del tiempo de la temperatura crítica de los materiales supe...
(AO)m {(BO)2(M)n-1} (CuO2)n
    Caso del balacuo




                                                                     ...
The Ybacuo or 123 structure

    m = 1, n = 2 ⇒ (CuO){ Ba2O2 Y} (CuO2)2 <> YBa2Cu3O7 <> Cu Ba2YCu2O7 ⇒ (1212)


          ...
Superconductores con bismuto

m = 2; n = 1         Bi2Sr2CuO6     2201


m = 2; n = 2 Bi2Sr2CaCu2O8        2212
m = 2; n =...
Estructura cristalina de los diferentes miembros de la familia de “cupratos de mercurio”
superconductores HgBa2Can-1CunO2n...
Estrategias en la Preparación de Materiales
    Estrategias en la Preparación de Materiales
A veces no hay que preparar......
El Alquimista

(Portada del Catálogo
Sigma-Aldrich 2005)




       !! Muchas gracias por la atención !!



              ...
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MATERIALES INORGANICOS: DE LA PREHISTORIA AL SIGLO XXI

TEMA PARA LA MATERIA DE QUIMICA BASICA CON LABORATORIO...INSTITUTO TECNOLOGICO DE SONORA...t&t

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MATERIALES INORGANICOS: DE LA PREHISTORIA AL SIGLO XXI

  1. 1. Materiales Inorgánicos: de la Prehistoria al siglo XXI Emilio Morán Departamento de Química Inorgánica I Facultad de Ciencias Químicas Universidad Complutense de Madrid Ciclo de conferencias “Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad” CSIC 27 de abril de 2009 Esquema de la charla • Material: algunas definiciones • Historia: las “eras” de la Humanidad • Tipos de materiales: clasificaciones. • Materiales inorgánicos. • Estrategias en la preparación de materiales • A modo de ejemplo: materiales superconductores. • Conclusión
  2. 2. 1.Definiciones “Materiales”: 62.000.000 entradas en Google “Materials”: 317.000.000 entradas Ej.: “Materiales de construcción”
  3. 3. (Diccionario de la lengua RAE) Material: • (Del lat. materiālis). • 1. adj. Perteneciente o relativo a la materia. • 2. adj. Opuesto a lo espiritual. • 3. adj. Opuesto a la forma. Esta alhaja es de poco valor material. • 4. adj. Grosero, sin ingenio ni agudeza. • 5. m. Elemento que entra como ingrediente en algunos compuestos. • 6. m. Cuero curtido. • 7. m. Cada una de las materias que se necesitan para una obra, o el conjunto de ellas. U. m. en pl. • 8. m. Documentación que sirve de base para un trabajo intelectual. • 9. m. Conjunto de máquinas, herramientas u objetos de cualquier clase, necesario para el desempeño de un servicio o el ejercicio de una profesión. Material de guerra, de incendios, de oficina, de una fábrica. • Materials are substances or components with certain physical properties which are used as inputs to production or manufacturing. Basically, materials are the pieces required to make something else, from buildings and art to stars and computers. (WIKIPEDIA) MATERIAL: “Sólido útil”
  4. 4. 2. HISTORIA Flechas y herramientas de sílex. 17000 a.C. www.museuprehistoriavalencia.es
  5. 5. Cuevas de Altamira. Bisonte. 13000 a. C. Fe2O3 + C +.... Edad del bronce (Cu/Sn): 3000-800 a.C.
  6. 6. Tesoro de Villena. Siglo XI a.C. (Au) Edad del Hierro: 1400 a. C. hasta 1950 d.C. (?)
  7. 7. Cerámica campaniforme. 1800-2200 a.C. www.museuprehistoriavalencia.es Vaso campaniforme. Ciempozuelos (Madrid), Edad de Bronce, entre 1970 y 1470 a.C. Museo Arqueológico Nacional
  8. 8. Cerámicas griegas , siglo VI a.C. piezas de arcilla moldeada, endurecida por el calor. Su composición suele ser: dióxido de sílice (algo por debajo de un 60%), aluminio (entre un 15 y un 20%), óxido de hierro (hacia un 7%) y otros óxidos de magnesio, calcio, sodio y potasio. El material tiene que ser moldeable y, al mismo tiempo, capaz de conservar la forma cuando se ha trabajado, por lo que admite agua, que se pierde después de que la pieza haya pasado por el fuego. www.kalipedia.com/arte/
  9. 9. Porcelana Origen: China, s. VII-VIII a.C. Base: Caolín, T>>> Formación militar del mausoleo del primer emperador Quin Terracota (250 adc)
  10. 10. VIDRIO: (SiO2 + aditivos) Egipto, Fenicia 1500 a.C. Cementos, Hormigón, Yeso…. Panteón, Roma
  11. 11. Nuevos Materiales (s. XXI) HISTORIA DE LA HUMANIDAD « Era » Años Avance Materiales Lugar significativo Cerámicos Paleolítico 15000 a.C.-- Piedra, ------------ Africa Fuego Neolítico 7000 a. C. -- Rueda, Alfarería Oriente Agricultura Medio Edad del 4000 a. C. -- Escritura, Ladrillos Oriente Bronce Hornos, Medio Armas Edad del 1500 a. C.-- Nuevas Vidrio, Oriente Hierro Armas, Medio, Navegación Europa, Porcelana China Historia Edades Pólvora, Vidriados, China, documental « antigua », Imprenta, gres, P. árabes, « media », Máquina de Europa, « moderna , Vapor, etc Contempo- Actualidad--- Nuevas Cerámicas Globo ránea - fuentes de « avanzadas energía, » Internet, etc...
  12. 12. 3. Clasificaciones Tipos de Materiales: • Naturales: de origen mineral, vegetal o animal. • Artificiales: Metales, cerámicas, polímeros y compuestos. • Funcionales: Estructurales, electrónicos, eléctricos, magnéticos, ópticos, etc. • Orgánicos, inorgánicos o híbridos. • Moleculares o no moleculares. • Mono- bi- o tridimensionales. • Biomateriales. • Nanomateriales, nanoestructurados, etc.
  13. 13. Material: “Sólido útil” Cerámicas Polímeros Metales Compuestos 4. Materiales Inorgánicos Moleculares: enlace “débil” entre especies complejas. No moleculares (“cerámicos”): • enlace fuerte, iónico-covalente. • Composiciones y estructuras muy variadas.
  14. 14. MECÁNICAS ELÉCTRICAS QUÍMICAS PROPIEDADES MAGNÉTICAS OTRAS ÓPTICAS Materiales inorgánicos. Propiedades mecánicas: Materiales inorgánicos. Propiedades mecánicas: •Materiales muy duros:C(diamante), BN, SiC, Si3N4, “C3N4”,... duros: •Lubricantes:C(grafito), MoS2, ... Lubricantes: •Cerámicas tenaces:Al2O3, ZrO2, Sialones, ... tenaces: •Sin dilatación térmica o con contracción:ZrW2O8, zeolitas,... n: •Ferroelásticos:CaAl2Si2O8 sticos: •Etc...
  15. 15. Materiales inorgánicos. Propiedades eléctricas: Materiales inorgánicos. Propiedades eléctricas: Conductividad Electrónica: Aislantes: SiO2... Semiconductores:Si, AsGa,.. Metálicos:ReO3, CrO2.. Superconductores: YBa2Cu3O7... •Conductividad iónica: Electrolitos sólidos (catiónicos: β-Al2O3, AgI ) o (aniónicos: ZrO2... ) Conductores protónicos •Dieléctricas Ferroeléctricos: BaTiO3... Piezoeléctricos: α-cuarzo.. Piroeléctricos:ZnO... Materiales inorgánicos. Propiedades magnéticas: Materiales inorgánicos. Propiedades magnéticas: •Diamagnéticos:SCAT ticos: •Paramagnéticos (Pauli) TiO, RhO2... •Paramagnéticos (Curie-Weiss) •Ferromagnéticos CrO2, γ-Fe2O3 , YIG, .. •Antiferromagnéticos α-Fe2O3 •Ferrimagnéticos Fe3O4, hexaferritas,... •Vidrios de espín •Magnetorresistentes :La1-xCaxMnO3 •Multiferroicos: BiFeO3 •etc...
  16. 16. Materiales inorgánicos. Propiedades ópticas: Materiales inorgánicos. Propiedades ópticas: •Pigmentos TiO2, Cr2O3, sulfuros de T.R., •Termocrómicos •Ventanas de IR NaCl, CaF2,... •Láseres (Cr)Al2O3, (Nd)YAG,... •Luminescentes •Fosforescentes •Óptica no lineal LiNbO3 •Cristales líquidos •etc... Materiales inorgánicos. Propiedades “químicas”: Materiales inorgánicos. Propiedades “químicas”: •Catálisis heterogénea Zeolitas, fosfatos, metales soportados, óxidos metálicos, etc... •Almacenamiento de energía: pilas de combustible, baterías de ión litio, etc.. •Almacenamiento de hidrógeno LaNi5, hidruros metálicos, •Almacenamiento de residuos nucleares: Synroc, vidrios nucleares fluorados, .. •Sensores de gases: , zircona •Sensores químicos •Adsorbentes Zeolitas •Intercambio catiónico: Zeolitas •etc...
  17. 17. 5. Estrategias en la preparación de materiales •Motivación: ¿qué preparar?, ¿para qué? •Procedimientos: ¿cómo?, ¿en función de qué? •¿Materiales de “diseño”?, o más bien, ¿“serendipity”? Materiales de moda: Materiales de moda: (Palabras clave) (Palabras clave) “Smart” materials... “Smart” materials... Super(materials)...SCAT, SCI, Super(materials)...SCAT, SCI, CMGR,... CMGR,... •Nanomateriales, Nanoestructuras, •Nanomateriales, Nanoestructuras, Nano.... Nano.... •Materiales multifuncionales (ej. Magneto- •Materiales multifuncionales (ej. Magneto- resistentes, multiferroicos, etc…) resistentes, multiferroicos, etc…) •Mat. Biomiméticos •Mat. Biomiméticos •Etc..... •Etc.....
  18. 18. Materiales por necesidad. Ej.: Materiales para la energía: Materiales para la energía: •Fotovoltaicos •Fotovoltaicos •Baterías Alcalinas •Baterías Alcalinas •Pilas de combustible •Pilas de combustible •Superconductores •Superconductores •Supercondensadores •Supercondensadores •Otros •Otros Ciencia de Materiales : interdisciplinareidad Procesado Aplicaciones Química Ingeniería Composición Estructura Física Propiedades
  19. 19. Estrategias en la preparación de materiales: en función de la composición • Haluros, OXIDOS, sulfuros, nitruros, carburos, hidruros, etc.... (o combinaciones más complejas) • Con metales o no metales o ambos • Binarios, ternarios, cuaternarios... NUEVOS MATERIALES: ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA NUEVOS MATERIALES: ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA I) Cambios de estructura, composición constante I) Cambios de estructura, composición constante II) Cambios de composición, estructura constante: II) Cambios de composición, estructura constante: a) todos los átomos de un tipo (familias); a) todos los átomos de un tipo (familias); b) algunos átomos (solución sólida) b) algunos átomos (solución sólida) III) Fases metaestables.Procedimientos “suaves”. III) Fases metaestables.Procedimientos “suaves”. IV) Nuevas composiciones: IV) Nuevas composiciones: a) Prueba y error a) Prueba y error b) Diseño b) Diseño c) “Serendipity” c) “Serendipity” V) Materiales compuestos (“composites”) V) Materiales compuestos (“composites”) VI) Cambios en el procesado VI) Cambios en el procesado VII) ETC... VII) ETC...
  20. 20. Estrategias en la Preparación de Materiales Estrategias en la Preparación de Materiales I: Misma composición, distinta estructura Ejs: TRANSICIONES DE FASE P>>, T>> C(grafito) -------------------- C(diamante) (semimetal) (aislante) 61ºC VO2 (monoclínico)-------- VO2 (rutilo) (semiconductor) (metal) ∼120ºC βAgI ---------------------- α AgI (semiconductor) (conductor iónico) ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES: Cambios de estructura, composición constante GRAFITO NANOTUBOS DIAMANTE
  21. 21. ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES: ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES: II) Cambios de composición, estructura constante II) Cambios de composición, estructura constante a) todos los átomos de un tipo (familias); ejemplos: • perovskitas ABO3, • espinelas AB2O4, • rutilos MO2, • pirocloros A2B2O7, • etc... •(no sólo óxidos: fluoruros, sulfuros, etc...) a c Rutilo: MO2 M = metal de b transición
  22. 22. Estrategias en la Preparación de Materiales Estrategias en la Preparación de Materiales II: Misma estructura, distinta composición Ejs: Dióxidos (rutilos) Fórmula P.Magnéticas P. Eléctricas Color TiO2 Diamagnético Semiconductor Blanco (Δ 3.05 eV) VO2 Paramag.Pauli Metálico Negro CrO2 Ferromagnético Metálico Negro MoO2 Diamagnético Metálico Bronce ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES: ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES: Cambios de composición, estructura constante Cambios de composición, estructura constante a) algún tipo de átomos (disoluciones sólidas); Sustituciones ISOVALENTES ejemplo: • Alúmina: Al2O3 ; estructura corindón, blanco • Cromia: Cr2O3; “ “ , verde • RUBÍ: Al2-x Crx O3 ( x <<) “ , ROJO
  23. 23. ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES: ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES: Cambios de composición, estructura constante Cambios de composición, estructura constante a) algún tipo de átomos (disoluciones sólidas); Sustituciones ALIOVALENTES ejemplo: • Zircona ; ZrO2 estructura fluorita • Ytria: Y2O3; “ C-Tierras Raras • YSZ: Zr1-xYx x/2O1-x/2 : Estructura fluorita con vacantes aniónicas. Conductor de iones O=. ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES: ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES: Cambios de composición, estructura constante Cambios de composición, estructura constante b) Sustituciones ALIOVALENTES COMBINADAS ejemplo: • Silicatos: Al 3+ , A+ en lugar de Si4+
  24. 24. Fases Metaestables. Fases Metaestables. Química “suave” Química “suave” Ej.: Ej.: Intercalación en compuestos laminares Intercalación en compuestos laminares Fases Metaestables. Fases Metaestables. Ejs: Ejs: •• α-Cuarzo: ssíntesishidrotermal, 400 ººC,P>>, pH>> α-Cuarzo: íntesis hidrotermal, 400 C, P>>, pH>> •• γγ-Fe2O33 ((maghemita).T<300º C -Fe2 O maghemita). T<300º C •• C (diamante) P>, T>, catalizadores. C (diamante) P>, T>, catalizadores. •• Zeotipos Zeotipos •• ETC.... ETC....
  25. 25. Polvo monocristales películas policristalino delgadas Estrategias en la Preparación de Materiales: Estrategias en la Preparación de Materiales: Algunas propiedades importantes dependerán de la Algunas propiedades importantes dependerán de la forma final forma final vidrios amorfos Nanomateriales Silicio monocristalino (IKZ, Berlin)
  26. 26. Paneles solares de Silicio (amorfo) Cuarzo: α-SiO2 (cristalino) Vidrio: SiO2 (amorfo)
  27. 27. Antecedentes NANOMATERIALES •Los materiales en forma de nanopartículas (Ø≤100 nm) presentan propiedades diferentes a las de polvo microcristalino, monocristales o películas delgadas de igual composición; en ello radica su interés. Presentan morfologías diversas: nanoesferas, nanohilos, etc... Revistas especializadas: Nanostructured Materials; Nanoletters, etc. Estrategias en la Preparación de Materiales Estrategias en la Preparación de Materiales Materiales de “diseño”: El caso del “NASICON” Na1+X Zr2P3-X SiXO12 Ea ∼ 0.2 eV J.B. GOODENOUGH Proc. Royal Soc.A393 (1984) 215
  28. 28. Zeolitas:¿Materiales de Diseño? Aluminosilicatos Imagen microscopía e- “Nanoreactores”: aplicación en catálisis ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES: ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES: ••Cambios en el procesado Cambios en el procesado ••Nuevas composiciones: materiales de diseño Nuevas composiciones: materiales de diseño ••Nuevas composiciones o estructuras: Nuevas composiciones o estructuras: “serendipity” “serendipity” ••Materiales compuestos Materiales compuestos ••etc., etc... etc., etc...
  29. 29. 6. Materiales Superconductores Un ejemplo reciente: Las diversas familias de cupratos superconductores ¿qué pistas se han ido siguiendo y por qué? Resistividad del mercurio en función de la temperatura Ternperature dependence of the resistance of mercury showing its disappearance as it becomes superconducting. This was the first observation of superconductivity, H. Kamerlingh Onnes (191 l). H. Kammerling-Onnes, Leiden Commun.120b, 122b, 124c (1911)
  30. 30. Kammerlingh-Onnes y Holz (Leiden, 1911) Progresión a lo largo del tiempo de la temperatura crítica de los materiales superconductores Tc (K) ? HgBaCaCuO (HP) 165 K (25 GPa) 160 140 135 K (1 atm) HgBaCaCuO C1/2Cu1/2Ba2CaCu3O8+x (HP) ??? TlBaCaCuO 125 K (1 atm) 120 C1/2Cu1/2Ba2CaCu3O8+x ( 117 K) BiSCO 100 Ybacuo 80 N2liq. 60 Srlacuo (HP) 40 Srlacuo ? Ne liq. Balacuo Nb2Sn NbAlGe 20 H2 liq. NbN N bO V3Si Nb3Ge Pb Nb He liq. Hg 0 año 1910 1930 1950 1970 1990 2000
  31. 31. (AO)m {(BO)2(M)n-1} (CuO2)n Caso del balacuo Bednorz & Muller m= 0; n = 1 ⇒ (BO2CuO2 <> La2CuO4 <> (0201) La2CuO4 +δ La2-xMxCuO4 M = Ba, Sr, Ca, K, Na T T’ T* “Balacuo” Tokura & Arima, Japan J. Appl. Phys. (1990) 29, (see also: M.A. Alario-Franco, Adv. Materials, (1995), 7(2)) A. K. Müller G. Bednorz Premio Nobel Física 1987
  32. 32. The Ybacuo or 123 structure m = 1, n = 2 ⇒ (CuO){ Ba2O2 Y} (CuO2)2 <> YBa2Cu3O7 <> Cu Ba2YCu2O7 ⇒ (1212) Cu Ba c Y O c c b a HREM of the YBa2Cu3O7 superconductor Imán (Nd-Fe-B) levitando sobre YBCO a 70K
  33. 33. Superconductores con bismuto m = 2; n = 1 Bi2Sr2CuO6 2201 m = 2; n = 2 Bi2Sr2CaCu2O8 2212 m = 2; n = 3 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 2223 Aspectos destacados: Tc altas No estequiometría en oxígeno y estroncio Estructura modulada inconmensurable Exfoliabilidad Familia de fases Dificultad de preparar pura (n = 3) Plomo como fundente Estructuras idealizadas de los superconductores con talio
  34. 34. Estructura cristalina de los diferentes miembros de la familia de “cupratos de mercurio” superconductores HgBa2Can-1CunO2n+2+δ n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 Tc = 94 Tc = 127 Tc = 135 Tc = 110 150 (25 GPa) 165 (250 GPa) Table 1. Superconducting Transition Temperatures (in K) of Homologous Series of Superconductors Prepared under High Pressure :(1 or 2) (n-1) n
  35. 35. Estrategias en la Preparación de Materiales Estrategias en la Preparación de Materiales A veces no hay que preparar...basta “redescubrir”.Ej: Un “viejo material” redescubierto como “nuevo superconductor” MgB2 Tc≈40K 7. Conclusión La Ciencia de Materiales
  36. 36. El Alquimista (Portada del Catálogo Sigma-Aldrich 2005) !! Muchas gracias por la atención !! emoran@quim.ucm.es

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