MATERIALS OBJECTES TECNOLOGIA

Ciències per al món contemporani 1r Batxillerat

• 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

existien en la imaginació materials nous que abans no sols no es podien fabricar sinó que no No hi havia res que pogués preveure la gran explosió de materials nous que estan apareixen des del principi del s. XX

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 materials

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 ...”

?

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

• 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 .

DONAR RESPOSTES A NOVES NECESSITATS

• Al llarg del s. XX, el necessitats. La

desenvolupament econòmic societat de consum

transport o diverses tasques domèstiques.

va portar noves fa que avui en dia ningú pugui prescindir de molts aparells electrònics per a la comunicació, el • El confort, la planeta han afavorit la investigació per aconseguir nous productes:        

crisi del petroli i la disminució dels recursos

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.

del • D’aquí la importància de trobar

nous materials

reemplaçar els actuals, amb

millors propietats processos menys contaminants

a més siguin

reciclables

.

que puguin i que requereixin per a la seva transformació i que

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

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

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

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

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

2. ELS MATERIALS

• Els

materials

són les substàncies que componen els objectes que ens envolten • Cada material té unes

propietats físiques, químiques i mecàniques

que el fan més adequat per a un ús determinat. • La

manipulació dels materials

propietats.

és un procés molt complex que implica comprendre les seves • Aquestes propietats es poden classificar en: PROPIETATS MECÀNIQUES ELECTRO MAGNÈTIQUES TÈRMIQUES ÒPTIQUES QUÍMIQUES ACÚSTIQUES

PROPIETATS MECÀNIQUES

DENSITAT DURESA

: El diamant és el material més dur que es coneix. S’utilitza en màquines abrassives, perforadores i de tall.

TENACITAT

: L’acer és molt tenaç, suporta cops sense trencar se. S’utilitza en eines.

MAL·LEABILITAT

: L’alumini com molts altres metalls es força mal·leable, se’n poden fer làmines molt fines.

ELASTICITAT

: La fibra de carboni és molt flexible: permet construir objectes capaços d’aguantar forces grans sense trencar-se

PLASTICITAT

: El material que forma la plastilina es pot modelar fàcilment sense que es trenqui

DUCTILITAT

: Els metalls són molt dúctils i es poden produir fils molt fins.

RESISTÈNCIA

: a la compressió, a la tracció, a la torsió i a la flexió

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).

PROPIETATS TÈRMIQUES

TEMPERATURA DE FUSIÓ

: el wolframi s’utilitza en el filament de les bombetes per la seva elevada temperatura de fusió.

CONDUCTIVITAT TÈRMICA

: la baquelita condueix molt malament el calor, és un bon aïllant tèrmic, per això s’utilitza en els mànecs dels estris de cuina.

CAPACITAT DE DILATACIÓ

dues làmines de metalls que : En molts termostats s’empren es dilaten de manera diferent quan s’escalfen

CALOR ESPECÍFIC

: Els plats de terrissa, gràcies a la seva calor específica elevada, conserven el menjar calent durant més temps.

PROPIETATS ÒPTIQUES

ÒPTIQUES

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.

En persones amb moltes diòptries, per no augmentar molt el lents s’utilitzen “vidres” DE REFRACCIÓ més alts gruix de les amb ÍNDEX COLOR TRANSPARÈNCIA REFLEXIBILITAT

ÍNDEX DE REFRACCIÓ BRILLANTOR FLUORESCÈNCIA

Els CRISTALLS LÍQUIDS deixen passar o no una part de la llum segons si estan sotmesos o no a un corrent elèctric. Així es formen els caràcters llegibles a les pantalles de calculadores.

Les parets de les LÀMPADES FLUORESCENTS reemeten la llum quan hi incideix la llum ultraviolada

POLARITZACIÓ DE LA LLUM

El PLÀSTIC utilitzat en senyals viaris o en armilles de seguretat reflecteix molt bé la llum.

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

transformació.

” : Procés de transformació viable i competitiu. No generin residus en el procés de  “

Sostenibles

”: Reciclables fàcilment i amb menys consum energètic i sense contaminar el medi ambient http://www.upc.edu/enclauupc/plastics-biodegradables

•

CLASSIFICACIÓ DELS MATERIALS

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

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

com l’ : Fe i C i quantitats apreciables de metalls com Ni, Cr, Mb entre d’altres. L’addició d’aquest elements millora les props. Mecàniques,

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

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).

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

mamaris : 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

Classificació dels plàstics:

Nom

Tereftalat de polietilè

Abreviatura PET / PETE Usos

 Ampolles de gasosa, refrescos  Mylar Polietilè d’alta densitat

PEAD / HDPE

Policlorur de vinil

PVC

Polietilè d’alta densitat Polipropilè Poliestirè

PEDB / LDPE PP PS

 Recipients per a menjar  Ampolles de detergent  Ampolles de llet  Pròtesis d’articulacions  Canonades  Senyalització  Finestres  Safates  Bosses d’escombraries  Capses de plàstic tou  Anelles de transport de les llaunes de refresc  Aïllant de cables elèctrics  Carpetes  Bijuteria  Escuma de poliestirè expandit (suro blanc), embalatges  Construcció

Propietats

 Baix cost   Processament per bufament, injecció o extrusió Excel·lents propietats mecàniques  Actua com a barrera davant dels gasos   Molt resistent davant la compressió, la tracció i la tensió Resisteix temperatures baixes  Molt lleuger  Molt resistent i lleuger  Molt versàtil  Inert (aplic. sanitàries)  Es pot reciclar  Cost baix  Flexible, transparent i lleuger  No és tòxic  Impermeable  Fàcil de processar  Lleuger  Resistent  Transparent  Resisteix temperatures altes sense degradar-se  Cost baix  Bon aïllant tèrmic i elèctric  Opac i transparent  Densitat molt baixa

•

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

segelladors.

: 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 

Elastòmers

: es deformen en ser sotmesos a pressió i recuperen la forma en cessar la pressió.

Ex: catxú, silicona, polibutàdiè, policloroprè

• • • •

CERÀMIQUES

Materials no orgànics ni metàl·lics Molt

fràgils

, presenten

bona conductivitat tèrmica i conductivitat elèctrica

baixa, són

durs i poc dúctils

, amb

temperatures de fusió molt elevades

estabilitat química.

molt i bona 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 formigó.

: 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  Ceràmiques avançades metalls, : 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

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: família de plàstics amb fibra de vidre

Metàl·lica Polimèrica Ceràmica Partícules Fibres Estructural

• 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 vidre o carboni.

es van desenvolupar durant la Segona Guerra Mundial

i consistien en una matriu plàstica (polímer) i un reforç en forma de fibra de • 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.

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

.

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 cristal·lina del sistema cúbic Àtoms cristal·litzen en làmines que se separen fàcilment

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 s’altera per la corrosió ni el foc • La indústria del carboni té múltiples aplicacions: l’esport, l’aeronàutica, la indústria aeroespacial, els transports, la medicina i la construcció.

L’Airbus A380, l’avió de passatgers més gran que existeix

.

Alguns components com les bigues centrals de fusellatge i les ales estan fabricades amb materials compostos de fibra de carboni que són més lleugers que l’alumini i més resistents que el titani, pel què resulten més adients pels grans esforços que han de suportar les ales d’aquesta avions gegants.

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, pals de vaixells, canyes de pescar, raquetes, etc.

• Es fabrica a partir de quitrans derivats del petroli

Boeing 787 “Dreamliner”

El 50% del Boeing 787 és de fibra de carboni

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

lluminoses.

: amb electrons lliures portadors de càrrega. Els plàstics conductors permeten fabricar làmines plàstiques 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”



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)



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

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

La tecnologia làser



Light Amplification by Stimula ted 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”

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.

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.

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))

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 Química Biologia Enginyeria Ciència de materials

La nanotecnologia és multidisciplinar:

Richard Feynman

(Nobel de física 1965)

Any 1959 !

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

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

 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????

L a importància de la relació superfície-volum

 A escala nanomètrica l’àrea efectiva augmenta , la reactivitat q uímica 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 )

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 s ón de diferents colors segons els seu diàmetre

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

(C 60 ).

: nanoestructura formada de 60 àtoms de carboni amb una forma semblant a l’icosaedre • Els ful·lerens en forma de nanobaló van deixar pas als ful·lerens en forma de tub o

nanotubs

.

Al 1985 un grup de científics va sintetitzar esferes de carboni pur que van anomenar

Buckyball

o

fulerene.

Premi Nobel de química el 1996

•

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 o semiconductors depenent com s’enrotlli les làmines de carboni (bandgap sintonitzable) Al 1985 un grup de científics va sintetitzar esferes de carboni pur que van anomenar

Buckyball

o

fulerene.

Premi Nobel de química el 1996

• 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 pèr dues 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

•

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 Carboni de baixa fricció

• Podem

dissenyar un material adequat per a un funció específica

, i només per aquesta funció, que es comportarà d’una manera determinada tan sols en una situació determinada.

http://nanoengineer1.com/ content/



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

Algunes aplicacions

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

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 Teixits que no es taquen; Els líquids rellisquen Nano-Care fabrics with water, cranberry juice, vegetable oil, and mustard after 30 minutes (left) and wiped off with wet paper towel (right)

Recobriments

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

Nanopartícules/nanotubs en molts productes i aplicacions Nanomaterials

per a la construcció material esportiu (raquetes, pilotes de tennis), productes de cosmètica, etc.

• • • •

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 altíssimes velocitats.

d’

ordinadors quàntics

(espí) molt més ràpids: processadors més ràpids, nanotelèfons, nanomicròfons, Internet a 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: nanomètrics, que impedeixen que les gotes de líquid arribin a mullar el teixit i eviten les taques.

teixits amb fibres de nanotubs

i altres materials Tapisseries de cotxes (materials retardans del foc)

• 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

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.

El futur?

Invenció del transistor Descobriment de l’estructura del ADN

There’s plenty of room at the bottom

Invenció del STM Carbon nanotubes

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

Altres webs interessants:

http://www.upc.edu/enclauupc/ http://www.uab.es/uabdivulga/ butlletí d’informació adreçat al professorat d’ensenayament secundari (UPC) 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

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