Materiais avançados: vinculação e transferência de tecnologia / Advanced materials: linkage and transfer of technology Palestrante: Dr. Juan Méndez Nonell - Centro de Investigación en Química Aplicada – CIQA / México

1. NUEVOS MATERIALES
Tendencias en Investigación, Desarrollo e
Innovación
Workshop Internacional de Materiales SENAI
Criciuma, Brasil, Agosto 2012
Dr. Juan Méndez Nonell

2. La Prehistoria
Edad de Piedra (¿? – 6000 AC)
• Piedra, Madera, Fibras vegetales  Herramientas diversas de piedra y madera
• Pedernal  Fuego controlado  Alfarería (cerámica)
• Metales  cobre natural Martillado  Norte de Irak hace 8 a 9000 años A.C.
• Fundición de metales (descubierta en una alfarería hacia 6000 A.C.)
• Cobre y óxidos metálicos  Artes Pirolíticas: Alfarería, Metalurgia y Vidriería
Edad del Bronce (5 a 6000 A.C. – 1500 A.C.)
Bronce = Cu + Sn, pero también Au, Ag, Pb
Civilizaciones Griega, Egipcia, …
… ¿y el hierro?
Fe muy abundante en la corteza terrestre y
de fácil acceso, pero:
Cobre Tf = 1083°C y Fe Tf = 1537°C

3. La Historia
• Hititas (1500 A.C.) Forjado de hierro en presencia de carbón (brazas)
 Difusión de carbón en décimas % a T < Tf  ACERO (secreto Hitita)
• Hacia 1200 A.C. Nórdicos los conquistan y difunden esta tecnología
• Acero de Damasco  Alta dureza
Edad de Hierro (1200 A.C. – hasta nuestros dias)
2o Proceso importante:
Reducción de óxidos por carbón a T < Tf
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO
Paradoja:
Cu, Zn, Sn, Au, Ag → elementos raros
Si, Al, Ca, Na, K, Mg → abundantes
Al2O3 no se puede reducir por este método
 1886 electrólisis en USA y Francia

4. La Historia
“La generación y el dominio de una tecnología revolucionaria da el acceso al poder, al
bienestar y al desarrollo cultural de una civilización o país”
METALES
• Revolución Industrial (Acero)  Inglaterra siglo XIX
POLIMEROS (plásticos) = Cadenas de moléculas orgánicas
• Polímeros de carbón  Origen de la vida
• América  Koo-Choo (caucho);
• México  Ulli (Nahuatl)  Olmeca (país del hule)
• Castilla elástica y Guayule, pero 1000 plantas diferentes en el mundo
• Primer polímero artificial: La Bakelita en 1908
• Petroquímica  Polímeros artificiales
• 2a Guerra Mundial  Caucho artificial para llantas, Nylon para paracaidas
SEMICONDUCTORES
Transistor  Electrónica
FUTURO
• Regreso a los recursos primarios  Piedras (cerámicos), Biosistemas
 MATERIALES AVANZADOS

5. Un Ejemplo de Materiales Avanzados:
Electro-Cerámicas
• Dieléctricas
• Cerámicas superconductoras
de alta temperatura
• Piezoeléctricas
• Piezomagnéticas
• Piroeléctricas
• Piromagnéticas
• Ferroeléctricas
• Antiferroeléctricas
• Ferromagnéticas y Magnéticas
• Antiferromagnéticas
• Ferroelásticas
• Magnetoelásticas
• Magnetoeléctricas

6. Piezoeléctricos
Piezoeléctricos tradicionales: Cuarzo, PZT, BaTiO3 (cerámicos)


V→   → V
-V→ →-V Nuevos Piezoeléctricos:
Cerámicas Aurivillius
Aplicación en actuadores: Detectores de ultrasonido,
..Y?? para aplicaciones médicas, fallas en contenedores, …

7. Piezoeléctricos
La intensidad del efecto depende de la anisotropía
Anisotropía
Vs.
Isotropía
Resolución atómica en un Microscopio Electrónico de Transmisión

8. Estructura del mercado de USA de Cerámicas
Avanzadas Millones de USD
TIPO / AÑO 1997 1999 2002 2004
Cerámicas para la 4 520 5 300 6 830 8 060
electrónica
Cerámicas para 1 331 1 500 1 750 1 935
procesos químicos y
ambientales
Recubrimientos 564 810 905 1 130
cerámicos
Cerámicas 395 460 585 695
estructurales
avanzadas
Total 6 810 8 070 10 010 11 820
Mercado mundial de materiales cerámicos
200 mil millones de U.S. dólares/año

9. Ciencia e Ingeniería de Materiales
El estudio sistemático de los materiales, mediante lo que
actualmente se conoce como Ciencia e Ingeniería de
Materiales, se inició apenas en la década de los 40´s, ya
que anteriormente éstos se usaban y producían con una
gran dosis de empirismo.
La ciencia de los materiales surgió como resultado de la
aplicación de los desarrollos científicos de las ciencias
Físicas y Químicas: la aplicación de estos conocimientos por
los ingenieros llevó a la ingeniería de los materiales

10. Ciencia e Ingeniería de Materiales
Los cinco diferentes aspectos que construyen el edificio de la
Ciencia e Ingeniería de los Materiales

11. Clasificación de los Materiales
Partiendo de lo que están hechos, los materiales suelen clasificarse en
metálicos (hierro, cobre, aluminio, bronce, níquel titanio, etc.), cerámicos
(ladrillos, vidrio, cemento, aislantes, abrasivos, etc.), poliméricos (caucho,
plásticos diversos, varios tipos de adhesivos, etc.), semiconductores (silicio,
germanio, arsenuro de galio, etc.) y otros, más complejos, llamados
compuestos, que son mezclas de dos o más de los antes mencionados.
Dependiendo de su complejidad estructural y funcional, los materiales se
clasifican en dos grupos: los materiales tradicionales y los materiales
avanzados.
La utilidad de los materiales avanzados reside no tanto en sus propiedades
mecánicas, sino en sus propiedades químicas, magnéticas, ópticas,
electrónicas, entre otras. Los materiales avanzados tienen una carga
tecnológica alta y un elevado valor agregado.
El precio de venta promedio de los materiales avanzados alcanza hasta
1,000 dólares o más por kilogramo, en comparación con los tradicionales que
solo tienen un precio promedio de 1 dólar/Kg.

12. Avances tecnológicos basados en el
desarrollo de nuevos materiales
Evolución de la resistencia mecánica de diversos materiales en
función del año de su descubrimiento

13. Avances tecnológicos basados en el
desarrollo de nuevos materiales
Evolución de la temperatura de operación de
motores (eficiencia), en función del año de
invención
Evolución de la magnetización en imanes
permanentes, en función del año de su
descubrimiento

14. Avances tecnológicos basados en el
desarrollo de nuevos materiales
Evolución de la velocidad de corte de Evolución de la capacidad de
herramientas fabricadas con transmisión de luz de diversos
diferentes materiales, en función de materiales en función del año
la fecha de su desarrollo de su descubrimiento

15. Tendencias mundiales
Materiales Avanzados  países más industrializados, impulsados por los
requerimientos de un mercado en rápido crecimiento
Interés global  la necesidad de reducir costos energéticos en la
producción de materiales, la biodegradabilidad y la recuperación o
reciclado de desechos y subproductos
Tecnología de materiales  Sustitución de la materia prima como principal
factor de competencia. Tener grandes riquezas naturales está dejando de ser
un factor de ventaja comercial en el mercado mundial
Futuro próximo  advenimiento de una familia de materiales avanzados
más complejos, con capacidad de auto-diagnóstico y auto-reparación, que
incorporan funciones programadas como sensoras y actuadoras. Esta familia
de materiales es conocida como “materiales inteligentes”

16. Superconductores
Actualmente: (Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+ Tc = 254K !!!
Evolución de la temperatura crítica a partir de
la cual se presenta el fenómeno de la
superconductividad (resistencia eléctrica
cero), en función del año de su
descubrimiento Andrei Mourachkine
Cambridge Int. Sci. Pub. 2004

17. Superconductividad de Alta Temperatura
T = - 160 °C

18. SUPERCONDUCTIVIDAD
DE ALTA TEMPERATURA
(Resistencia eléctrica = 0)
¿…Y?
T = - 160 °C
APLICACIONES
• Electroimanes de campos magnéticos muy elevados (trenes levitados)
• Sensores ultrasensibles de campos magnéticos (magneto-encefalogramas)
• Transmisión de energía eléctrica sin pérdidas de energía
• Aceleradores de partículas elementales

19. Tren Superconductor Japonés MAGLEV
¡¡ 550 Km/h en 100 segundos !!
• Electroimán superconductor en el
tren y un embobinado en tierra
• Prueba con 5 carros en abril de 1999

20. Ejemplos de Materiales Avanzados
• Efectos cuánticos de tamaño hacen que materiales “tradicionales”
presenten nuevos comportamientos que modifican notablemente sus
propiedades ópticas, eléctricas, mecánicas, catalíticas.
• Intel está produciendo actualmente memorias SRAM (Static Random
Access Memory) que contienen más de millón y medio de transistores por
milímetro cuadrado.
• MEMS y NEMS (micro y nano máquinas electromecánicas).
• Polimerización radicálica controlada o viviente  costo y versatilidad.
Alrededor de 60% de polímeros en el mundo se sintetizan actualmente por
el mecanismo de radicales libres.
• Materiales espintrónicos  su uso en computación ayudará a incrementar
de manera importante la velocidad de procesamiento de datos.
• Celdas de combustible  basadas en la muy conocida reacción exotérmica
que ocurre durante la recombinación de hidrógeno y oxígeno.

21. Materiales “Inteligentes”
El Efecto Memoria de Forma
Deformación en flexión por un campo magnético
N.Glavatska at al., Institute for Metal Physics, Kiev, Ukraine

22. MEMS
(Micro Electromechanic Machines)
1 mm
Patas de una araña en un MEM

23. Y, … ¿qué sigue? : La Nanotecnología
1 Nanómetro = 10-9 metros; La
distancia entre átomos en un sólido
es  0.2 nanómetros
Las propiedades de los materiales
(mecánicas, ópticas, eléctricas, 1 nm
magnéticas, térmicas, etc) cambian
cuando tienen dimensiones
nanométricas. La contribución de la
superficie a las propiedades
empieza a ser más importante que
la del volumen.
Microscopio Electrónico de Transmisión

24. Antecedentes Históricos de la Nanotecnología
 1590 los hermanos Dutch (alemanes) fabrican el primer microscopio
 Mediados siglo XIX, microscopio metalográfico (luz reflejada)
 1938 Ruska desarrolla el microscopio electrónico
 1950+ La microsonda electrónica lleva al SEM
 1959 Nanotecnología Predicha por el Premio Nobel Richard
Feynman en en su artículo “There is plenty of room at the bottom”
 1974 el término Nanotecnologia es introducido por Norio Taniguchi
 1981 Binnig & Rohrer desarrollan el Microscopio de efecto tunel
(STM), Premio Nobel en 1986
 1986 Microscopio de Fuerza Atómica (AFM)
 1996 Premio Nobel por el descubrimiento del C60 (Buckyball)
 1991 Iijima descubre los nanotubos de carbón
 Avances en las capacidades de cómputo
 Avances en las capacidades de microscopios electrónicos

25. Naturaleza Metros Hombre
Acaro 10-3 Jeringa
Hipodérmica
Milímetros
(mm)
Hormiga
MEMs
Glóbulos 10-6
Rojos Micrómetros
(µm)
Nano
ADN transistor
10-9
Nanómetros
(nm)
Atomos
Atomos

26. Nanomateriales
Nanomateriales, entendidos como
estructuras con alguna de sus
dimensiones por debajo de los 100
nm (un nanómetro es la millonésima
parte de un milímetro), sobresalen a)
las actividades relacionadas con:
nanopartículas (semiconductoras,
metálicas, nanocompósitos, óxidos
metálicos); nanoestructuras
novedosas (fulerenos, nanotubos de
carbono, nanoalambres, pozos,
alambres y puntos cuánticos, etc.), b)
nanopelículas (metálicas,
Nanotubos de carbón. a) y b) vistas lateral
semiconductoras y dieléctricas) y
y frontal de dos modelos de nanotubos:
polímeros nanoestructurados
carbono a) y Disulfuro de tungsteno b). c) y
(polímeros en bloques de tamaño
d) fotografías de microscopio electrónico
nanométrico, compósitos)
de barrido de mazos de fibras de carbón
crecidas en el IPICYT. Terrones, et. al.
Nature 388 (1997) 52.

27. Nanomateriales
La industria de los nanomateriales  manipulación de la materia a escala
del nanómetro, para la fabricación de estructuras con estas dimensiones.
Nuevas propiedades físicas y químicas en la nanoescala. La dimensión se
convierte en una variable más de diseño de nuevos materiales. Para una
composición química y una estructura fijas, propiedades como el color o la
temperatura de fusión, dependen ahora del tamaño.
En este ámbito, convergen la Física, la Química y la Biología, pues la
escala de los Nanomateriales coincide con la de las proteínas y otras
macromoléculas que se encuentran en la base de la vida, con la de varias
estructuras intracelulares e incluso con la de organismos vivos como las
nanobacterias y los virus.
En la actualidad, esta industria representa más de 50 mil millones de dólares
a escala global y los analistas predicen que llegará a 400 mil millones de
dólares anuales en 2015.

28. ¿Que es entonces la Nanotecnología?
La capacidad de crear materiales funcionales, dispositivos y
sistemas, con propiedades nuevas, mediante el control de sus
dimensiones y el aprovechamiento de los nuevos
comportamientos que aparecen en la escala nanométrica:
• Efectos cuánticos
• Propiedades superficiales

29. Nanotubos de Carbono
Respuestas Mecánicas
PROPIEDADES MECÁNICAS
* Módulo de Young~ 1-1.5 Tpa
• Uno de los materiales más
resistentes en la Naturaleza
* Muy Flexible y Deformable
* Extremadamente ligero
Deformaciones
Twisting
Plasticidad Intermolecular
100 VECES MAS RESISTENTE QUE EL ACERO
Dimensiones: 2-25 nm diámetro, Y 6 VECES MAS LIGERO.
Micras de largo * CONDUCE LA ELECTRICIDAD COMO EL COBRE

30. Nanoelectrónica del Carbono
Transistor Molecular
utilizando un nanotubo
de carbono (1.4 nm de
diámetro). Este transistor
opera a temperatura
ambiente. El dispositivo
consiste en un nanotubo
semiconductor y dos
electrodos metálicos.
S.J. Tans, A.R.M. Verschueren, and C. Dekker, Nature 393, 49-52 (1998)

31. Pantallas Ultraplanas de TV con
bajo consumo de energía
Pantalla de TV utilizando Nanotubos de bajo consumo
energético y más luminosidad
W.B. Choi, et. al. Applied Physics Letters 75, 3129 (1999)

32. Nanotubos llenos de Hierro
Discos Duros
Nanotubos llenos de Hierro producidos
magnéticos de alta
por métodos pirolíticos
capacidad

33. Aplicaciones de la Nanotecnología en la
Industria de la Construcción
 Materiales con mayor durabilidad y mejores propiedades
 Materiales multifuncionales, con mejor resistencia mecánica
combinada con propiedades conductoras o aislantes eléctricas,
térmicas, ópticas, magnéticas, etc.
 Materiales “inteligentes”, con capacidades programables de
autoreparación y sensoras
 Materiales híbridos (compuestos) de materiales
orgánicos/inorgánicos, con mejores propiedades que las de los
componentes originales

34. Aislamientos Cerámicos
Casi la mitad de la energía producida en Europa es consumida
por sus 160 millones de edificios:
Edificios residenciales y oficinas 40.4%, industria 28.3 % y
transporte 31.3%
Calefacción 69%, calentamiento de agua y cocina 19% y
electricidad 12%
Entre las diferentes medidas para ahorrar energía, tales como:
eficiencia en la combustión, sistemas solares, etc., el
aislamiento térmico representa con mucho la mejor solución,
además de evitar la emisión de gases contaminantes (CO2)

35. Aislamientos Térmicos

36. Materiales de construcción en USA
11% Solid Wood
5% Others
40% Engineered Wood
Metals
Plastics
39%
5%
88% de las estructuras en casas
unifamiliares son de madera
Jorn Larsen-Basse and Ken P. Chong, National Science Foundation, USA

37. Síntesis de nanofibras y nanotubos de
celulosa
Nanofibras de Celulosa
Conjunto de
rosetas
(6 proteinas
ensambladas),
que producen
nanofibras de
~28nm celulosa
Fuente: Jeffery Catchmark, Penn State University

38. Concretos Reforzados
Fuente: P. ACKER, LAFARGE - Centre de Recherche, France

39. PRESENTE 5 10 15 20 FUTURO
ACERO Acero anti corrosión
Materiales Avanzados de Construcción
Muy bajo impacto ambiental, recursos sustentables,
Baja energía
Aditivos no tradicionales
CONCRETO
propiedades optimizadas, etc.
Dúctiles y de alta resistencia
Nano recubrimientos
Superficies bio-activas
CERAMICOS
Cerámicas deformables
Ladrillos, vidrio
Vidrios autolimpiables
Nano reforzados
PLASTICOS
Ensamblados molecularmente
MADERA Madera modificada

40. Biomateriales
• Bioactivos (actúan como el órgano que sustituyen);
• Biodegradables (que con el tiempo no contaminen al ambiente);
• Bioinertes (que no reaccionan a nivel químico con su entorno);
• Biodispositivos para dosificación controlada de fármacos, para la
regeneración de tejidos, etcétera.

41. ¿Y … el siguiente paso?
El Motor Molecular

42. El Motor Molecular

43. Máquinas Biológicas Autoensambladas

44. Biomáquinas
Escherichia Coli

45. Bio Nano Robot
Prof. Constantinos Mavroidis, Robotics and Mechatronics Laboratory, Northeastern University

46. Inversión en Nanociencias y Nanotecnología
La inversión en C&T nano en USA, pasó de 116
millones de USD en 1997 a 849 millones de
USD en 2004.
• National Nanofabrication Users Network
(NNUN).
• Nanoscale Science Research Centers
(NSRC’s)

47. Situación Actual de la Investigación y el
Desarrollo Tecnológico de los Materiales
en México
Instituciones públicas y privadas realizan actividades en el ámbito de los
materiales. Entre las públicas se encuentran la UNAM, IPN, UAM, IMP,
CINVESTAV, CIMAV, COMIMSA, CIQA, IPICyT, CICY, CIO, CICESE, U de
G, UANL, UASLP, BUAP y UAS entre las principales, ubicadas en diferentes
Estados de la República.
El censo nacional de recursos humanos que trabajan en el área de los
materiales y en otras afines dentro de la física, la química y la ingeniería,
arroja un total aproximado de 1,000 investigadores. Esta cifra no es
comparable con los aproximadamente 150,000 investigadores en los
Estados Unidos con actividades similares.
Centros de Investigación y Desarrollo de empresas privadas realizan
también actividades en el área de materiales, entre los que se cuentan:
Grupo DESC, Vitro, CEMEX, MABE, Peñoles, Hylsa, GCC, CONDUMEX,
PROLEC.

48. Industria Manufacturera Nacional
Actualmente, la planta productiva mexicana está fuertemente
orientada hacia la comercialización de materiales tradicionales,
con un consumo elevado de materia prima y un bajo valor
agregado; lo anterior, con una consecuente pérdida de
competitividad.
En los países industrializados, la tecnología de materiales ha
sustituido a la materia prima como principal factor de competencia.
Así, el tener grandes riquezas naturales está dejando de ser un
factor de ventaja comercial en el mercado mundial.

49. Principales Grupos de Investigación en
Nanociencias y Nanotecnologías
en México
• IPICYT, San Luís Potosí
• CIMAV, Chihuahua, Monterrey
• CIO, León
• CIQA, Saltillo
• CICY, Mérida La inversión nacional en
Nano C&T es menor a
• UNAM, D.F., Ensenada, Cuernavaca 5 millones de USD/año !!!
• UAM, D.F.
• CINVESTAV, Querétaro, Saltillo, Mérida
• IPN, D.F.
• UANL, Monterrey
• BUAP, Puebla
• UAG, Guanajuato
• UASLP, San Luís Potosí

50. GRACIAS