CAPITULO XII

Grupo temáticode ciencia de materiales y miniaturización

Coordinación general Daniel Azofeifa Alvardo

Créditos

Colaboraron en la elaboración de este documento

Nota: Este documento debe considerarse como un trabajo en proceso, pues no nos ha sido posible reunir toda la información requerida para lograr un documento acabado. La información contenida se obtuvo mediante una serie de entrevistas con personas involucradas en la investigación y la enseñanza en el área de la ciencia de materiales. El compilador pide disculpas por inexactitudes que se hayan dado a la hora de transcribir el documento.

Dra. Lía Castro (INTEL) Dr. Dionisio Gutiérrez (Escuela de Física, ITCR) Dr. Ernesto Montero ( Escuela de Física, ITCR) Dra. Mavis Montero (Escuela de Química, UCR) Dr. Arturo Ramírez (Escuela de Física y CICIMA, UCR) Ing. Mario Conejo (Escuela de Ingeniería de Materiales, ITCR)

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Introducción En la actualidad existe un instrumento capaz de tomar fotografías mostrándolas en su pantalla casi que de inmediato y solo mide 2,5 x 5 x 9 cm. Pero además, con ese mismo instrumento es posible comunicarse con otra persona en casi cualquier parte de la faz del planeta en menos de 60 segundos y en él es posible guardar varios megabites de información en números telefónicos, fechas importantes, citas de negocios y mensajes de toda clase. Es capaz de recordar a su dueño15 minutos antes de la hora las citas del día y además, puede dar la fecha y hora, sincronizada con un reloj atómico accesible en la red y avisarle con igual precisión que es hora de salir de la cama. Y, si la espera se hizo tan larga que ya permitió ver los mensajes escritos y los correos electrónicos recibidos, es capaz de convertirse en máquina de entrenamiento con más de 20 juegos digitales. Ese instrumento, que podría llamarse cámarateléfono-agenda-despertador-centro de juegos y que está al alcance de casi cualquier persona de clase media de Costa Rica hoy, simboliza el éxito de la ciencia de materiales y la minituarización en las últimas décadas. La capacidad de entender y manipular las propiedades de los metales, de los semiconductores, de los plásticos y de las cerámicas a partir de sus componentes fundamentales, unida a la tecnología para “ver” y manipular lo micrométrico y hasta nanométrico, han logrado los fantásticos equipos que hoy son parte de nuestra vida diaria y que la han cambiado en formas que solo los futurólogos más perspicaces del siglo XX pudieron entrever. Basta con solo oír lo que están empezando a ofrecer los fabricantes de equipos para el hogar, para el entretenimiento y para la comunicación, entre otros, para que podamos decir que esta cosecha de instrumentos no ha terminado. Como consecuencia de esto no es aventurado predecir que las empresas que produzcan y comercialicen esos nuevos equipos tendrán un lugar privilegiado en la economía y arrastrarán con ellas las economías de los países que les son base. Ciencia de materiales, definición Los materiales nos rodean por completo; están involucrados en nuestra cultura y pensamiento así como en nuestra existencia misma. De hecho, los materiales han estado tan íntimamente relacionados con el surgimiento y al ascenso del hombre, que han dado los nombres de Piedra, Bronce y Hierro a las edades de la civilización. Los materiales naturales y los elaborados por el hombre se han convertido en una parte integral de nuestras vidas. El COSMAT Report on Materials and Man Needs (COSMAT: Committee on the Survey of Materials Science and Engineering, of the National Academy of Sciences, 1973) define los materiales como sustancias cuyas propiedades las hacen útiles en estructuras, máquinas, dispositivos o productos. El desarrollo de la mecánica cuántica en la primera mitad del siglo XX, proveyó nuevas y poderosas herramientas para entender y manipular los materiales a partir de sus componentes fundamentales: átomos y moléculas. Todas las propiedades de un material se originan en las estructuras internas de ese material o, dicho de otra forma las propiedades y el comportamiento de los materiales dependen de su estructura interna. Por lo tanto, en la medida en que se comprendan mejor las relaciones entre la estructura y sus propiedades se podrán desarrollar nuevos materiales. En la ciencia de materiales se aplica dicho conocimiento científico para transformar materiales en productos útiles. Por ejemplo, las estructuras electrónica y atómica representan el modelo para millones de componentes electrónicos miniaturizados; manipulando la estructura molecular se han producido una gran variedad de polímeros; controlando la microestructura se han desarrollado muchas aleaciones metálicas y muchos cerámicos de nueva creación. Los conocimientos requeridos para lograr estos avances se han logrado principalmente en las unidades de investigación y desarrollo de las universidades y de las grandes empresas multinacionales, aunque las contribuciones de los pequeños grupos y hasta individuos no han estado ausentes; baste con recordar los inicios de las computadoras personales.

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Esta definición que parte del estudio microscópico es al que nos referiremos en el resto de este trabajo cuando hablamos de ciencia de materiales.

Ciencia de materiales en Costa Rica Antes de la década de los setentas el término ciencia de materiales en la perspectiva “micro” era prácticamente ignorado en Costa Rica; igual en las universidades, en las empresas y en las políticas de gobierno. Es a partir de los ochentas y principios de los noventas que se ha venido dando un cambio en la incorporación de este tema y hoy la ciencia de materiales, por lo menos no es un tema extraño en ninguno de los ámbitos mencionados. En las universidades La ciencia de materiales como disciplina de estudio y base de la tecnología se inició en las universidades de Costa Rica principalmente en las facultades de ingeniería. Sin embargo, este concepto se circunscribió al punto de vista macroscópico de materiales, el cual sin duda es de mucha importancia en áreas como la construcción y las maquinarias. No es hasta el advenimiento de los microcircuitos y sus corazones, los “microchips”, que se empieza a ver la necesidad de enfocar el estudio de los materiales desde la perspectiva “micro” en el marco de la teoría atómica. En el estudio desde la perspectiva atómica debe hacerse notar el trabajo pionero en el estudio de películas delgadas (capas de solo una cuantas decenas de nanómetros de espesor) iniciado en los años 70 en la sección de Estado Sólido de la Escuela de Física y el desarrollo de la Unidad de Microscopía Electrónica de la Universidad de Costa Rica (UCR), aunque la orientación de esta última ha sido principalmente hacia temas biológicos.

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En la Universidad de Costa Rica (UCR) En 1990 se funda en la UCR el Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales (CICIMA), que tiene entre sus objetivos la investigación y el desarrollo de nuevos materiales y su posible aplicación tecnológica. Este centro enfoca sus estudios en la perspectiva microscópica y con los aportes de la misma universidad, más algunos aportes del CONICIT y del MICIT ha ido creando una infraestructura y equipo para el estudio de los materiales en el concepto moderno. En la actualidad cuenta con 9 investigadores (7 con doctorado y 2 con maestría); ellos son físicos(6), químicos(2) e ingenieros (1). Se han realizado 43 publicaciones científicas entre el año 2000 y el año 2005 (junio). El CICIMA cuenta con dos sistemas de alto vacío (10-6 Torr) y un sistema de ultra alto vacío (10-10 Torr) todos con instrumentos para medir espesores, resistencia eléctrica y trasmitancia óptica. Sistemas de depositación de películas delgadas (por evaporación y por espurreo) con espesores desde unas pocas monocapas (