Contenido

1. Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales 1.1 Perspectiva histórica 1.2 Ciencia e ingeniería de materiales 1.3 Porque estudiar ciencia e ingeniería de materiales? 1.4 Clasificación de los materiales 1.5 Materiales avanzados 1.6 Nanotecnología

Cerámicos avanzados






Sensores Sistemas de protección térmica Biocerámicos Materiales magnéticos Materiales electrónicos

Cuchillo cerámico

-Semiconductores -Superconductores Materiales para electrónica

Biomateriales

Materiales magnéticos

SENSORES • Ex: Sensor de oxígeno: ZrO2 • Principio: Rápida difusión de iones

Ca2+

para una respuesta inmediata. Impureza de Ca2+

• Propuesta: Añadir impurezas de Ca para:

Remueve a los iones de Zr4+ y O2-

-- incrementar vacancias de O2-- incrementar difusión de O2-

• Operación: -- Diferencia de voltaje producida cuando los iones de O2difunden entre el gas externo y uno de referencia.

sensor Gas no conocido con alto contenido de oxígeno

Gas de referencia con un contenido Difusión fijo de oxígeno de O2-

+

-

Se produce una diferencia de voltaje!!

Sistemas de protección térmica • Silica fundida insertada en ciertos puntos en una nave espacial. • piezas reusables en naves

• Un material aislante base silica para NASA. • Los diseñadores de la NASA deciden usar este y materiales similares para fabricar ladrillos resistentes al calor y otros para recubrir y proteger la nave. • Después de que la nave aterriza y es colocada en hangares para su inspección, cualquier ladrillo dañada es removido y reemplazado para el próximo vuelo.

BIOCERAMICOS

HIP JOINT

• Varios tipos de huesos artificiales, material óseo auxiliar (implante) y dientes han sido desarrollados y puesto en práctica. • Apatita, hidróxido, alúmina y zirconia, estos productos llevan ventaja de los nuevos cerámicos resistentes y compatibles con el cuerpo humano.

Dientes de acrilíco

Puentes y coronas de porcelana y metálicos

Dientes de porcelana

Puentes y coronas de vidrio cerámicos

Magnetic and Electronic Materials

Ceramic Chipcarrier Componentes cerámicos magnéticos

Japan Maglev

China Maglev

Materiales magnéticos y electrónicos

magneto

Maglev

Pellet superconductor Un magneto es suspendido encima de un pellet superconductor porque las corrientes de inducción en la superficie del superconductor crea un campo magnético opuesto al campo del magneto.

El fenómeno es descrito por el efecto Meissner.

Técnicas de “plantillas”

• Copolímeros • Dendrímeros • Alumnio anodizado • Zeolitas

Copolímeros

En la figura se presenta un esquema general del proceso mediante el cual se obtienen los nanocompósitos magnéticos, como ejemplo se presenta el trabajo realizado por Ziolo en donde se sintetiza un nanocompósito polímeropolímero-maguemita maguemita..

Copolímeros

Polymer Microgels: Reactors for Semiconductor, Metal, and Magnetic Nanoparticles Jiguang Zhang, Shengqing Xu, and Eugenia Kumacheva

Copolímeros

Copolímeros Peter Kofinas et al al.., reportan la síntesis y la caracterización de nanopartículas de CoFe2O4 bien dispersas dentro de una matriz polimérica a temperatura ambiente ambiente..

Controlled Room Temperature Synthesis of CoFe2O4 Nanoparticles through a Block Copolymer Nanoreactor Route Sufi R. Ahmed and Peter Kofinas* Macromolecules 2002, 35, 3338-3341

Aluminio anodizado

Síntesis de nanomateriales a partir de silica mesoporosa 1. MCMs: hexagonal MCM-41, cubica MCM-48 y lamelar MCM-50; 2. FSM-41 con poros cilíndricos; 3. HMS con pros hexagonales; 4. SBA-n: SBA-15 con poros hexagonales.

MCM-41

MCM-48

MCM-50

[1] J.S.Beck, J.Am.Chem.Soc.1992,114,10834.

Sus propiedades importantes: Tamaño de poros ajustable a tamaños entre 2-50 nm, gran area superficial, y canales mesoporosos uniformes. La mayoría de los materiales mesoporosos no tienen las propiedades superficiales apropiadas.

Fig.2. SEM(a) and TEM (b) of SBA-15.

Es necesario modificar estos materiales [2] Y.M. Liu, J. Catal. 2004, 224, 417.

Modificación de silica mesoporosa

Ligantes orgánicos

Compuestos organometálicos Especies inorgánicas

Nanopartículas: M, MOx, MSx

Método de síntesis 2.1 Impregnación 2.2 Modificación superficial 2.3 Condensación 2.4 Otros métodos 2.4.1 Plantillas de intercambio con cationes metálicos 2.4.2 Depositación química de vapor (CVD)

Método de impregnación 1. Síntesis - Impregnar silica mesoporosa

con una solución de compuestos metálicos seguido de la reducción, descomposición térmica u otro tratamiento.

2. Interacción - Ninguna interacción química del SiO2 con los compuestos metálicos existentes. Su porosidad limita la formación de las partículas.

Método de impregnación

Representación esquemática de la encapsulación de óxidos metálicos nanoestructurados dentro de canales mesoporosos de silica tipo MCM-41 y MCM-48.

[3] S.E. Dapurkar, Catal. Today 2001,68, 63.

Método de condensación 1. Síntesis – añadir precursores metálicos (sales metálicas o alcóxidos metálicos) en una mezcla del tipo solgel.

2. Método – Es el método mas sencillo para introducir óxidos en una red de silica con una alta carga de óxidos metálicos. Pero las partículas están principalmente embebidas en paredes de silica.

Fig.8. TEM of γ- Fe2O3 particles embedded in the SiO2 walls. [8] C. Garcia, Angew. Chem. Int. Ed. 2003,42,1526

3. Factores ---a) Cantidad de precursor. b) Clase de precursor. c) Tratamiento. d) Condiciones de impregnación.

4. Efectos ---Este método puede incorporar eficientemente compuestos metálicos dentro de los poros de una silica mesoporosa. Pero no se puede controlar el crecimiento de la partícula. La distribución de tamaños de partículas es amplia y las partículas están localizadas al azar. Representación esquemática de la preparación de nanoalambres y nanopartículas de Pt en FSM-16.

[4] A. Fukuoka, Catal. Today 2001,66, 23

Método de solsol-gel Solución

Gel precursor

NO3Si

Si

Fe+3

Co+2 Si

Si

ROH

ROH

Temperatura ambiente

Tratamiento térmico NO3-

Fe(OH)x ROH

Transición SolSol-gel

RO-

Co(OH)x

Poro en el gel

Nanocomposito Nanopartículas de CoFe2O4

Técnicas para polvos

• Aleado mecánico • Coprecipitación química • Sol-gel • Microemulsión • Poliol

Coprecipitación química La magnetita se prepara mediante el método de coprecipitación química que se basa en la siguiente reacción: FeCl2 ⋅ 4H2O + 2FeCl3 ⋅ 6H2O + 8NH4OH → Fe3O4 ↓ + 8NH4Cl + 20 H2O

Método de polimerización compleja Disolución de las sales metálicas AyB

+ Acido Cítrico

Etilenglicol

Tratamiento térmico

ABO3

Formación de complejos entre los iones citrato y los iones metálicos

Técnica de microemulsión
Definición de microemulsión • Componentes: surfactante, agua, fase orgánica; • Termodinámica: estable, aún cuando son centrifugadas • Tamaño de las gotas: 10-100nm; • Características ópticas: transparentes/subtransparente, isotrópicas.

Procedimiento de síntesis

Microemulsión conteniendo reactivo A Colisión y coalescencia de las gotas

Reacción química

Microemulsión conteniendo reactivo B

Procedimiento de síntesis

Adición de agente reductor (reactivo B)

Microemulsión conteniendo reactivo A

Reacción química

Evolución de los materiales

Técnicas para nanoestructuras

• Nanolitografía • Dip-pen

Litografía

Evolución de los materiales

Dip-pen Dip PenDip Nanolithography AFM tip Dirección del movimiento Estructura autoensamblada

Menisco de agua

Que factores controlan el proceso de DPN?

Puntas de AFM AFM Probes

Si probe

Indentation Probe

SiNx probe

High aspect ratio Probe

Electrical Probe

Magnetic Probe

Carbon nanotube Probe Courtesy of Veeco company’s website

Dip--pen Dip • Idea: “Dip” pluma en “ tinta (ink)” y “escribir” en un sustrato • Podemos depositar

H2O H2O H2O H2O Actua como capilar

H2O

condensación

H2O Au substrate

– Monocapas orgánicas (tioles) en una superficie de Au – Proteinas

• Podemos crear – Puntos: 0.66 µm de diámetro, 20 s – Lineas: 30 nm de ancho, 5 min (2 µm long) – Arreglos

Piner, R.D.; Zhu, J.; Xu, F.;Hong, S.H.;Mirkin, C.A. Science 1999, 283, 661-663. Lee, K-B.; Lim, J-H.; Mirkin, C.A. J. Amer. Chem. Soc. 2003, 125, 5588-5589.

Dip--pen Dip

• Tinta: Alkano tiol • Papel: sustrato de Au

Metal tip

e-

s

Superficie conductora

Ejemplos capabilities Dip Pen Nanolithography

380nm

Courtesy of Prof. Mirkin’s website and Prof. Dravid’s website

Caracterización de materiales nanoestructurados

Microscopio electrónico de transmisión (TEM)

El principio básico de un TEM es proyectar una imagen magnificada de una muestra en una pantalla fluorescente. La imagen en sí es el resultado de un haz de electrones que es dispersado por la muestra frente a aquellos que no son.

Microscopio electrónico de transmisión Un diagrama simplificado de un microscopio electrónico de transmisión consiste en una fuente de electrones, la lente de condensador con diafragma, muestra, lente del objetivo con la apertura, la lente del proyector y la pantalla fluorescente.

Microscopio electrónico de transmisión En la actualidad un TEM moderno consta de muchos más componentes, incluyendo un sistema de doble condensador, bobinas deflectoras, etc.

HRTEM Nickel nanoparticles – Nickel chloride

HRTEM

HRTEM

HRTEM

Microscopio de fuerza of atómica Chronology SPM (AFM)

1981

STM inventado en IBM-Zurich por Binnig and Rohrer

1985

Primer AFM desarrollado por Binnig, Gerber y Quate

1986

Binnig y Rohrer comparten el Premio Nobel de Física

1987

1999

DI es fundado por investigadores de UCSB DPN desarrollado por investigadores de Northwestern University

El primer AFM

G. Binnig, Ch. Gerber and C.F. Quate, Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986)

Operación

• El aditamento de barrido opera mediante la detección de la deflección de un cantiliver. • Equipos modernos usan un fotodiodo para detectar la deflección. http://spm.phy.bris.ac.uk/

Atomic Force Microscope (AFM) Operación

Microscopio de fuerza atómica (AFM)

• Transductor cerámico piezoelectrico

V

Expande 1 nm/V

Microscopio de fuerza atómica (AFM)

• Fuerza constante

Feedback unit

piezos

– Modo de deflección

• Modo vibración – Modo no-contacto

sample

Atomic Force Microscope (AFM) Microscopio de fuerza atómica (AFM)

Photodiode

Mirror

Laser Source

Laser Beam

Tip Sample

(A-B) Voltage

A/D Converter

Computer Setpoint Voltage

Scanner Tube

Tipos de mediciones en AFM

http://spm.phy.bris.ac.uk/

Modos de barrido en AFM

• • • • •

Contact Mode AFM TappingMode™ AFM Non-contact Mode AFM Force Modulation Lateral Force Microscopy (LFM) • Scanning Thermal Microscopy • Magnetic Force Microscopy (MFM) • LiftMode

• Phase Imaging • Scanning Capacitance Microscopy • Electric Force Microscopy (EFM) • Nanoindenting/Scratching (IMHO) • Scanning Tunneling Microscopy (STM) • Lithography

Tipos de cantilivers AFM Probes

Si probe

Indentation Probe

SiNx probe

High aspect ratio Probe

Electrical Probe

Magnetic Probe

Carbon nanotube Probe Courtesy of Veeco company’s website

AFM: Atomic Force Microscope laser

photodetector

k ≈ 0.1 N/m

Atomic force microscope

AFM: Atomic Force Microscope laser

photodetector

k ≈ 0.1 N/m

Atomic force microscope, deflected

AFM: Atomic Force Microscope Feedback loop

z

How it traces surface…

AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

x

AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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AFM: Atomic Force Microscope Vpiezo

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Optical lever’s sensitivity means nN forces can be controllably exerted…

k ≈ 0.1 N/m

photodetector

laser

AFM Images 2. Carbon nanotube 3. Human chromosomes

TappingMode AFM image of single carbon-nanotube molecule on electrodes. These images represent an important breakthrough where we measured electronic transport through a single nanotube molecule for the first time. 530nm x 300nm scan courtesy C. Dekker and Sander Tans, Delft University of Technology, Department of Applied Physics and DIMES, The Netherlands.

Materials Characterization

Courtesy Dr. Z. Barkai

Materials Characterization

AFM Images 1. Au (111)

AFM Capabilities

Collagen fibers (3µm)

PS spheres (2µm)

DNA (150nm)

DRAM, SCM (10µm)

DNA (550nm)

Anodic oxidation on Si (5µm)

Au clusters on BTO (3µm)

Polyethylene single crystal (8µm)

Courtesy of Veeco company’s website