Nuevos materialesen la sociedad del siglo XXI

CARMEN MIJANGOSJOSÉ SERAFÍN MOYACOORDINADORES

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS

COLECCIÓNDIVULGACIÓN

Nuevos materialesen la sociedad del siglo XXIA pesar de que los materiales que nos rodean (metales, plásticos,cerámicas, vidrios, cementos, etc.) son tan familiares, la Ciencia deMateriales es una ciencia nueva. Fue aceptada por primera vez comoverdadera disciplina científica y académica en 1958. Fue necesario el espectacular desarrollo de la física, la química y deotras ciencias básicas en el siglo XIX y primer tercio del siglo XX paraque el conocimiento y uso de los materiales dejaran de ser unconjunto de habilidades tecnológicas, más o menos artesanales,heredadas de la experiencia acumulada. El desarrollo científico y tecnológico y los avances en comunicaciones,tecnologías de la información, transporte, salud, ingeniería civil,industria energética, bienes de consumo, etc., de los últimos cincuentaaños, no hubieran sido posibles sin el desarrollo de materiales, algunosde ellos desconocidos con anterioridad, como nuevas aleacionesmetálicas, cerámicos avanzados, nuevos vidrios, polímeros, fibrassintéticas y materiales compuestos.Hoy, la Ciencia de Materiales es una ciencia multidisciplinar, reúne losconocimientos y experiencias procedentes de la física y la química delestado sólido, la metalurgia, la química orgánica, la ingenieríaquímica, la geología e incluso de la biología.En el futuro, el reto es conocido. El mundo posible que viene necesitaforzosamente desarrollar tecnologías sostenibles de producción yconsumo de energía, de transporte y comunicaciones. Necesita,además, extender los beneficios de este desarrollo al conjunto de lapoblación mundial. Estas tecnologías requieren, entre otras cosas,nuevos materiales hoy inexistentes, con nuevas propiedades específicascada vez mas sofisticadas.A pesar del camino recorrido, todo hace suponer que estamos sólo enel comienzo de una verdadera revolución, la de los Nuevos Materiales.

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COLECCIÓNDIVULGACIÓN

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ISBN: 978-84-00-08453-0

Nuevos materialesen la sociedad del siglo XXI

Nuevos materialesen la sociedad del siglo XXI

Fernando Bartolomé, Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón.ICMA-CSIC-Universidad de Zaragoza

Juan J. de Damborenea, Centro Nacional de InvestigacionesMetalúrgicas. CENIM-CSIC

José L. G. Fierro, Instituto de Catálisis y Petroleoquímica. ICP-CSICAlbert Figueras, Centre d’Investigació en Nanociència

i Nanotecnologia / Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona. ICMB-CSIC

José González de la Campa. Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros. ICTP-CSIC

Antonio Hernando, Instituto de Magnetismo Aplicado. UniversidadComplutense de Madrid. ADIF-CSIC

Carmen Mijangos (coord.), Coordinadora Científica y Técnica del Área de Materiales del CSIC

José Serafín Moya (coord.), Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. ICMM-CSIC

Jordi Pascual, Centre d’Investigació en Nanociència iNanotecnologia. ICN. Universidad Autónoma de Barcelona. UAB

Julio San Román. Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros.ICTP-CSIC

Carlos Zaldo, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. ICMM-CSIC

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS

COLECCIÓNDIVULGACIÓN

Madrid, 2007

Con la COLECCIÓN DIVULGACIÓN, el CSIC cumple uno de sus principales objetivos: proveer de materiales rigurosos y divulgativos a un ampliosector de la sociedad. Los temas que forman la colección responden a la demanda de información de los ciudadanos sobre los temas que más les afectan:salud, medio ambiente, transformaciones tecnológicas y sociales… La colección está elaborada en un lenguaje asequible, y cada volumen está coordi-nado por destacados especialistas de las materias abordadas.

COMITÉ EDITORIAL

Pilar Tigeras Sánchez, directoraSusana Asensio Llamas, secretariaMiguel Ángel Puig-Samper MuleroAlfonso Navas SánchezGonzalo Nieto FelinerJavier Martínez de SalazarJaime Pérez del ValRafael Martínez CáceresCarmen Guerrero Martínez

Catálogo general de publicaciones oficialeshttp://publicaciones.administracion.es

© CSIC, 2007© Fernando Bartolomé, Juan J. de Damborenea, José L. G. Fierro, Albert Figueras, José González de la Campa, Antonio Hernando, Carmen Mijangos (coord.),

José Serafín Moya (coord.), Jordi Pascual, Julio San Román, Carlos Zaldo, 2006.

Reservados todos los derechos por la legislación en materia de Propiedad Intelectual. Ni la totalidad ni parte de este libro, incluido el diseño de la cubierta puedereproducirse, almacenarse o transmitirse en manera alguna por medio ya sea electrónico, químico, mecánico, óptico, informático, de grabación o de fotocopia, sinpermiso previo por escrito de la editorial. Las noticias, asertos y opiniones contenidos en esta obra son de la exclusiva responsabilidad del autor o autores. La editorial, por su parte, sólo se hace responsabledel interés científico de sus publicaciones.

ISBN: 978-84-00-08453-0NIPO: 653-06-072-1Depósito legal: M-8.913-2007

Edición a cargo de Cyan, Proyectos y Producciones Editoriales, S.A.

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1. Materiales cerámicos avanzados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9José Serafín Moya

2. Nuevos materiales metálicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Juan J. de Damborenea

3. Polímeros avanzados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29José González de la Campa

4. Materiales magnéticos hoy: ¿imanes de átomos aislados? . . . . . . 39Antonio Hernando

5. Nanomateriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Albert Figueras y Jordi Pascual

Índice

9

11

21

31

41

53

6. Biomateriales: retos y alternativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Julio San Román

7. Materiales para los láseres de hoy y mañana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Carlos Zaldo

8. Energía y ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87José L. G. Fierro

9. La radiación sincrotrón en Ciencia de Materiales . . . . . . . . . . . . . . . 99Fernando Bartolomé

63

73

89

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Introducción

La capacidad para crear nuevosmateriales está ineludiblemente unidaa los avances en la comprensión de losfenómenos físicos y químicosfundamentales de los mismos.Habitualmente, en dichos fenómenosentran en juego varias escalas delongitud y rangos energéticos. Porello, es fundamental contar conmúltiples técnicas de caracterizacióncomplementarias, mejor cuanto másversátiles. En este sentido, la radiación sincrotrón es unaherramienta ya insustituible en cienciade materiales porque ofrece unconjunto de técnicas muy amplio, queresulta idóneo en varios momentos delproceso de desarrollo de un materialsusceptible de tener aplicacionestecnológicas.

La radiación sincrotrón (RS) es luzgenerada por partículas cargadas,aceleradas hasta velocidades ultra-relativistas, forzadas a seguir unatrayectoria curva y por tanto a emitir.Las partículas cargadas, habitualmenteelectrones, se mantienen durantehoras formando paquetes que viajan a una velocidad extremadamentecercana a la de la luz (con energías de varios giga-electronvoltios) en un“anillo de almacenamiento”, que no essino un acelerador de partículasdedicado a la producción de luzsincrotrón. La RS se produce en lospuntos del anillo en los que un campomagnético curva la trayectoria de loselectrones, bien sea en las esquinas delpolígono que da forma al anillo o endispositivos de inserción que secolocan en las secciones rectas y queson en la actualidad las fuentes de RS

FERNANDO BARTOLOMÉInstituto de Ciencia de Materiales de Aragón. ICMA-CSIC-Universidad de Zaragoza

9. La radiación sincrotrón en Ciencia de Materiales

101

Figura 9.1. Esquema de un sincrotrón.

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más potentes. Un anillo tiene, portanto, decenas de líneas de luz en lasque se realizan distintos experimentossimultáneos. La especificidad de cadalínea de luz viene determinada tantopor la naturaleza de la fuente (imán de curvatura o dispositivo deinserción) como por la óptica(focalización, colimación,monocromaticidad, resolución enenergía, etc.). En general, un equipode investigadores accede a realizar unexperimento tras un proceso deselección de propuestas con evaluaciónpor pares que, de ser positiva, aseguraal grupo el acceso a un número dedías de haz suficiente para realizar elexperimento propuesto. Para el equipoexperimental que accede a la RS, elanillo de almacenamiento que laproduce es casi inexistente: tan sólo elhaz de luz que incide sobre su muestraes “testigo” de la existencia del anillo.El utillaje experimental de cada líneaes independiente y del mismodepende casi por entero el tipo deexperimento que cada equipo realiza(absorción, dispersión, difracción,

microscopía, resonancias electrónicaso nucleares…).

La RS tiene ciertas propiedades queconvierten en una herramienta básicaen ciencia de materiales:

• Es una fuente de luz muy brillante,mucho más que cualquier otrafuente de luz de laboratorio. Ademásestá colimada: es un haz de luzfinísimo de muy baja dispersiónangular.

• La RS es una fuente de luz blanca,esto es, el haz incidente estácompuesto de todos los colores (esdecir, energías) desde el ultravioletahasta los rayos gamma, pasando porlos rayos X.

• La RS es una fuente de luz conenergías adecuadas para excitartransiciones electrónicas en lamateria, por lo que permite estudiarla estructura electrónica de losmateriales (magnetismo,superconductividad,semiconductividad…).

• Las longitudes de onda de la luzsincrotrón varían desde unas

Figura 9.2. Estación experimental de la línea de luz para el estudio de materiales del MaxPlanck Institut, en el sincrotrón berlinés BESSY.

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experimentales, y entre ellas, laradiación sincrotrón.

La radiación sincrotrón en nuestro país

España es socio fundador de la FuenteEuropea de Radiación Sincrotrón, elESRF de Grenoble. Por ello, desde suapertura en 1995 los españolestenemos derecho a utilizar un 4%del tiempo total de haz del ESRF, elporcentaje que sufragamos de supresupuesto anual. Los científicosespañoles tienen acceso al tiempopúblico de cualquier línea de luz delESRF. Además, España mantiene doslíneas: BM16, que está dedicada a ladifracción de macromoléculas y a experimentos de dispersión de luzpor “materia condensada blanda”(dispersión a bajo ángulo), y BM25-Spline, que es una línea doblededicada a diversos experimentos en“materia condensada dura”(difracción, absorción, superficies).España decidió en 2002 que no podíaperder el tren de la radiaciónsincrotrón y un consorcio formado al50% por el Ministerio de Educación y Ciencia y la Consejería de Ciencia yUniversidades de la Generalidad deCataluña puso los cimientos de unproyecto que empezó a andar en 2004y ofrecerá los primeros fotones a sususuarios hacia el final de esta década:

ALBA, el sincrotrón español de tercerageneración ya se construye enBellaterra, al lado de la UniversidadAutónoma de Barcelona. El anillotendrá un mínimo de 7 líneas de luzfuncionando en un primer momento,con capacidad para ampliar hasta másde una veintena. Para másinformación acerca de la marcha delproyecto, se puede visitar la páginaweb de ALBA (www.cells.es). En unfuturo aún lejano se construirán variasmáquinas en el mundo de una nuevageneración de sincrotrones (la cuarta),también llamados “láseres deelectrones libres” (FEL). España ya hafirmado el convenio del proyecto FELeuropeo, que se construirá enHamburgo y que está actualmente en fase de diseño.

Caracterización de materiales

Microscopía y visualizaciónLa aplicación paradigmática de lasfuentes de rayos x es la de técnica devisualización para el diagnósticomédico, en la que se observa elcontraste entre la absorción (lasombra) del tejido óseo y del blandoen un cuerpo vivo. Las fuentes de RShan permitido desarrollar variastécnicas de visualización y microscopíano sólo basadas en la absorción sinotambién en la diferencia de fase entre

104

décimas de ángstrom (1Å = 1010

m) hasta las micras (10-6 m),incluyendo las distanciasinteratómicas en sólidos. Porello, la RS está adaptada para elestudio de la estructura demateriales, tanto de sólidos comode plásticos, fibras musculares,proteínas, virus, etc.

• La RS está polarizada, y se puedeseleccionar cualquier estado depolarización: lineal (horizontal o vertical), circular, o cualquierestado intermedio.

• Los electrones en el anillo noforman un flujo de cargacontinuo, sino que se agrupan enpaquetes, de modo que la RS seproduce de modo estroboscópico:consta de pulsos de decenas depicosegundos de duración (~1011

s) cada cientos de nanosegundos(~10-8 - 10-7 s), lo que permiterealizar experimentos en funcióndel tiempo con resoluciónultrarrápida.

Estas propiedades combinadashacen de la RS una herramientamuy versátil, como se mostrará acontinuación en una selección deejemplos. En la ciencia actual,nuevos experimentos engendrannuevos conceptos, renovandonuestra concepción de laNaturaleza. Ésta es la granpotencia de ciertas herramientas

Figura 9.3. Estructura interna y cortestransversales de la cabeza de una tijereta(Forficula auricularia).

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la luz incidente y la dispersada. Lafigura 9.3. muestra una imagentomográfica tridimensional de lacabeza de una tijereta (Forficulaauricularia), permitiendo observar condetalle la estructura de los músculos y del exoesqueleto, en varios cortes(imagen de un grupo del ESRF). Hoy en día, la tomografíacomputerizada de rayos x, desarrolladaen los 60 y 70 para visualizaciónmédica es también una técnica deciencia de materiales en lossincrotrones de todo el mundo. Estatécnica hace uso de las propiedades de la luz sincrotrón para eliminarartefactos y mejorar el contraste. Lacoherencia (parcial) del haz de luzsincrotrón permite la reconstruccióntridimensional mediante un análisisno destructivo. Este tipo de técnicaspuede ser fundamental en control de calidad: nuevos estudios de daño y fractura, de formación y percolaciónde defectos, etc., son de importanciacapital y permiten aplicar una “nuevamirada” sobre materiales de interéstecnológico.

Laminografía de soldadurasComo ejemplo de lo anterior, la figura 9.4. muestra una laminografía de las soldaduras de un chipmicroelectrónico. Los puntos de soldadura quedan ocultos a la vistatras el proceso de ensamblado. Lafigura muestra dos cortes

perpendiculares a través de soldaduras(a y b) reconstruidas a partir de 900proyecciones. El tamaño del pixel es1.4 micras, y la energía del haz de rayos X es de 35 keV (rayos-xduros). Se pueden observar defectos(pequeños huecos) cerca de laintercara con el chip. El gráficotridimensional (c) evidencia tanto huecos dentro de los puntos desoldadura como salpicaduras metálicasque podrían eventualmente poner en peligro el correcto funcionamiento del chip.

Figura 9.4. Visualización no destructiva de lassoldaduras de un chip con la placa en la que sealoja. Cortes transversales (a) perpendicular y (b)paralelo a la superficie del dispositivo. (c) Vista3D: las 9 soldaduras en fila abarcan 1 mm.

o las espumas poliméricas ometálicas.

La figura 9.5a. ilustra la capacidadde las técnicas de RS para el estudiode la estructura 3D de las espumas dealuminio bajo pruebas de compresióny tensión. Las energías utilizadasvarían entre 18 y 25 keV con unaóptica de 10 a 30 micras. Se tomaron900 proyecciones en una cámara CCDde 1024x1024. La figura 9.5. evidenciala calidad de las espumas “Alporas”(izda.), mientras que otras espumas(dcha.) presentan celdas muchomayores y una peor homogeneidad.

La técnica permite estudiar losprocesos de respuesta de los materialesa esfuerzos, como el plegamiento(bucleado) de las paredes de las celdasbajo presión (figura 9.6a.) o la roturabajo tensión (figura 9.6b.). Lasmuestras son milimétricas, por lo quedado su tamaño el resultado podría ser

Caracterización de espumasmetálicas por microtomografía de rayos xEn sistemas de gran contraste, como las espumas metálicas, en lasque la frontera metal-aire es visiblemediante técnicas radiográficas, latomografía de rayos X se puedeutilizar para caracterizar muestrastridimensionalmente con resultadosespectaculares. Son bien conocidoslos resultados en visualización detejido óseo trabecular, de granproyección en la diagnosis y eltratamiento de la osteoporosis (ver,por ejemplo, los trabajos de EstelaMartín, de la Universidad deBarcelona). Menos conocidos peroigualmente importantes desde unpunto de vista industrial son losestudios de burbujas en cerveza, laestructura de la capa blanca que seforma en el chocolate mal conservado

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380µm

180µma)

b)

c)

estudiado casi “a ojo desnudo”. Laventaja que ofrece la tomografía derayos X es ver el interior del materialde forma simultánea a la aplicación de las tensiones sin perturbarlo, locual sería obviamente imposible si sepreparase un corte sobre el quetrabajar directamente (la muestra yano sería la original).

Espectromicroscopía electrónica(XPEEM) y dicroísmo magnético(XMCD)La radiación sincrotrón cubre elespectro de energías de las excitacioneselectrónicas (efecto fotoeléctrico). Enla última década se ha desarrollado unamicroscopía electrónica que aprovechacomo fuente de la imagen loselectrones arrancados de los átomos de la superficie por la excitacióndebida a la iluminación mediante elhaz de rayos x. La imagen así formada

nos ofrece una microscopía electrónicade fotoemisión de rayos X de lasuperficie de la muestra (X-rayPhotoEmission Electron Microscopy,XPEEM). Además, si la energía del hazde RS selecciona un umbral deabsorción de un átomo determinado,la imagen es sensible únicamente a ese átomo, pudiendo realizarseespectromicroscopía. La figura 9.8.

Figura 9.6. Mecanismos de rotura de espumasmetálicas: a) bajo compresión: deformación porbucles en una espuma de aluminio de burbujacerrada (deformación señalada con un círculo).Tamaño de la muestra: 1,5 cm. b) Mecanismode rotura in-situ por esfuerzo tensil. Semuestran dos estadios sucesivos. Los círculospunteados señalan roturas de columnas. Elcírculo continuo señala un punto dedeformación plástica (tamaño mostrado, 1 mm).

Fig. 9.5a.) Representación 3D de una espumaAlporas de burbuja cerrada y 9.5b.) de unaespuma NosrkHydro, de burbuja abierta.

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a)

a)

b)

b)

18mm

yz

y

x

Figura 9.7. Vista vespertina del laboratorioeuropeo de radiación sincrotrón, ESRF, enGrenoble.

108

Figura 9.8. Izquierda: Esquema de unXPEEM. Centro: espectromicroscopíaelectrónica de una muestra de puntoscuánticos de Ge1-xSix sobre una superficiede Si (111) realizada con fotones deenergía correspondiente al umbral L2,3 deabsorción del Si. La fracción de Si en losislotes de Ge está expresada en porcentaje.Derecha: Igual que la imagen central peroesta vez excitando con fotones resonantescon un umbral de absorción del Germanio.En ambas imágenes se muestra un espectrono integrado en energías.

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muestra el esquema de un XPEEM(panel izquierdo) y dos imágenes deuna muestra de islas nanoscópicas(puntos cuánticos o “quantum dots”,QD) de germanio-silicio. El objetivode estos sistemas es explotar laspropiedades micro- y optoelectrónicasde estas nanoestructuras que seríancompletamente compatibles con losdispositivos actuales de silicio. Hay almenos tres problemas relacionados conel crecimiento de QDs que deben sercontrolados a día de hoy: 1) su posicionamiento, 2) sucrecimiento, y 3) la composición decada QD individual en un dispositivo.En este tercer punto, la selectividadatómica del XPEEM es fundamental,ya que se pueden medir con precisióncuánto germanio y cuánto silicio hayen un QD particular. La resoluciónespacial es de unos 300 nanómetros.

Una aplicación del XPEEM que hagenerado un gran interés es lacombinación de esta microscopía con la dependencia de la absorción derayos X polarizados con el estado de imanación del material absorbente(dicroísmo circular magnético derayos X, XMCD, que es el análogo delefecto Faraday en el rango de los rayosX, ver figura 9.9.). El XMCD se haconvertido en una técnica avanzadapero habitual en magnetismo demateriales. Cuando un haz de luzpolarizada atraviesa un materialmagnético, se produce una rotación de la polarización debido a unaabsorción distinta de la luz polarizadacircularmente a derechas y aizquierdas (ver figura 9.9., izda.). Enel panel de la derecha de la figura 9.9.se muestra la absorción del cobaltopara tres orientaciones relativas entre

Projector lens

Aperture

Objetive lens

X-rays

30º

23% 34%

40%

24%

27.5 28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 103 104 105 106

a b Ge3d

Kinetic energy (eV)Kinetic energy (eV)

Inte

nsit

y (a

.u.)

Inte

nsit

y (a

.u.)

Si2p

e_

E

Figura 9.9. Izquierda, esquema del efectoFaraday. Derecha, espectros de absorciónpara diversas orientaciones relativas delvector polarización y la imanación.

el vector polarización del hazincidente y la imanación de la muestrade Co. Se observa una variación muyfuerte de la absorción.

Una de las capacidades mássorprendentes del XMCD es que esuna magnetometría extremadamentesensible: no sólo es posible estudiar la imanación de muestras de tamañonanoscópico sino que puede medircuantitativamente la imanacióninducida en elementos no magnéticos,como el oro o el cobre. Por ejemplo,un equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (CSIC-Universidad de Zaragoza) haencontrado mediante XMCD que laanisotropía magnética de un conjuntode nanoesferas de cobalto (es decir,

cuánto “prefiere” el imán unadirección frente a otras), crecefuertemente al recubrir el cobalto conuna capa de oro, cobre, o platino,debido a la polarización magnética delos átomos no magnéticos. Cuantomayor es la anisotropía, más estable esel material magnético frente aperturbaciones. Por ejemplo, en unelemento de grabación magnética (un bit en un disco duro) mayor es laseguridad que tenemos de que lainformación almacenada no se borraráaccidentalmente cuanto mayor es suanisotropía.

Éste es un campo de investigaciónde enorme relevancia, pues mueve unvolumen económico muy considerabley además jugará un papel fundamental

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Circular Dichroism - Ferromagnets

Co

L3

774 777Photon Energy (eV)

Nor

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ized

Ele

ctro

n Y

ield

780 783

ß

B

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8

4

0

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en una nueva revolución; laespintrónica, nueva electrónica en la que la información no sólo se transporta en la carga de losportadores sino también en su espín(el imán intrínseco de las partículas),abriendo grandes posibilidades dedesarrollo.

Evolución temporal de la formaciónde materialesUna de las ventajas más evidentes del gran brillo de las fuentes actuales(tercera generación) de RS es que el tiempo de medida necesario paraacumular una medida de calidad se reduce dramáticamente. En una

Figura 9.10. Imagen del proyecto delsincrotrón español ALBA, actualmente enconstrucción en Cerdanyola del Vallès,Barcelona.

Figura 9.11. Síntesis de intermetálicos mediantesíntesis autopropagada.

química avanza por sí sola avelocidades de entre 10 a 250 mm/scon gradientes térmicos de miles degrados (ver figura 9.11.). Elprocedimiento es barato, pero no seconocen demasiados detalles delproceso dada su velocidad de reaccióny las altas temperaturas involucradas.

La línea de Ciencia de Materialesdel ESRF se ha utilizado para estudiarlas reacciones exotérmicas de lossistemas intermetálicos, carburos y composites. Se muestra en la figura9.12. un conjunto de diagramas dedifracción, recolectados cada décimade segundo en una cámara FRELONCCD de 1 megapíxel en una “zonafija” de la pastilla conforme avanza lareacción. Se observan los cambios enlos diagramas de difracción de losreactivos conforme avanza la reacción.En el sistema Al-Ni-Ti-C el comienzode la reacción la marca la fusión delaluminio y la reacción tiene lugar víauna fase ternaria intermedia con unavida media de unos 400 a 500 milisegundos.

fuente de rayos-x de laboratorio,tomar un punto experimental suelecostar varios segundos y un diagrama de difracción requiere unas horas demedida. Si se quisiese seguir mediantedifracción de rayos-x la evolución deuna reacción química se tendrían quereducir drásticamente los tiempos deadquisición, aumentando el brillo de la fuente (gracias a un sincrotrón) y también mejorando los detectores.

Un equipo integrado porinvestigadores del Sincrotrón Europeo(ESRF), y del Instituto de Cerámica y Vidrio, y del Instituto EduardoTorroja, ambos del CSIC en Madrid,estudian la evolución temporal dereacciones de estado sólido mediantesíntesis autopropagada de altatemperatura. Este método es una víaalternativa para la producción demateriales ligeros intermetálicos ycerámicos que se forman mediantereacciones exotérmicas. El métodoprovoca la reacción en un extremo deuna pastilla prensada mediante unaignición, tras la cual la reacción

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Los compuestos finales se estabilizanunos 4 segundos tras el comienzo dela reacción. Este tipo de experimentosmuestra la potencia de la RS en lasreacciones de estado sólido que tienenlugar en milisegundos, un campo dealto interés industrial por losmateriales involucrados.

Crecimiento de moléculas de fullereno sobre germanioEl descubrimiento desuperconductividad y otraspropiedades fascinantes de materialesbasados en C60 ha estimulado un grannúmero de estudios experimentalesacerca de la adsorción y crecimientode moléculas de C60 sobre metales ysemiconductores. Los fullerenos sonuna forma alotrópica de carbonodescubierta en la pasada década de losochenta. La molécula, de 60 átomosde carbono equivalentes en un estadomixto sp2-sp3 tiene la forma de unbalón de fútbol tradicional. Ésta esuna molécula fascinante, que daorigen a sólidos con propiedadeselectrónicas sorprendentes, ya sea por

formación de compuestos o por polimerización (ya seafotoinducida o generada por presión).En relación con el crecimiento deláminas de C60 sobre metales ysemiconductores, la comprensión de las interacciones interfaciales es unobjetivo fundamental. La RS permite,mediante la técnica de difracción desuperficies, la determinación detalladade la estructura de la primera capa.Un equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona ha resueltomediante experimentos de difracciónde RS en superficies la estructura de la adsorción de C60 a 500°C enuna superficie limpia de germanio.

Las moléculas de C60 se posicionanen la superficie del germanio con unode sus hexágonos paralelos a lasuperficie. La estructura refinada semuestra en la figura 9.13. Esteresultado refuerza la idea de que laadsorción de moléculas de C60 se

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Figura 9.12. Diagramas de difracciónrecolectados cada décima de segundo durantelas reacciones de Al-Ni-Ti-C y de compositesTiC/FeTi.

114

Figura 9.13. Vistas superior (arriba) y lateral(abajo) de la estructura C60/Ge(111)-(13x13)R14°.

Figura 9.14. Izquierda, diagrama de SAXSobtenido bajo calentamiento de losbloques de copolímero estireno-etileno conun 20% de concentración de estireno.Derecha, diagramas SAXS obtenidos enpolypropileno bajo tensión, en que semuestra el diagrama experimental (arriba),la componente isótropa (centro) y eldiagrama debido a la componenteorientada (diferencia de la imagen superiormenos la central).

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produce por acomodación en loshuecos de la superficie más que porrehibridación germanio-carbono.

PolímerosDe todos los materiales que moldeannuestra vida, los más omnipresentesson los plásticos. Por ello, los avancesen la comprensión de mecanismos de formación, procesado, o cristalización de polímeros son importantísimos desde todo puntode vista: básico, aplicado y económico.

Las dispersiones de bajo ángulo(SAXS) y de gran ángulo (WAXS) derayos X se han convertido en dosherramientas potentes y muyutilizadas porque brindan informaciónvaliosa sobre los procesos depolimerización. Por ejemplo, lacalidad de un plástico se ve empeoradaa menudo por la cristalizacióninducida por tensión. Para evitarla,deben comprenderse hasta el últimodetalle las técnicas industriales deprocesado de polímeros. Hoy en día,los experimentos de SAXS/WAXS sonnecesarios y complementarios a otrotipo de información experimental. Enparticular tiene un gran interésestudiar la aparición de fasecristalizada en función de los diversosparámetros relevantes en el proceso deproducción, y en este tema trabajanvarios grupos del Instituto de Cienciay Tecnología de Polímeros (ICTP) y

del Instituto de Estructura de laMateria (IEM), ambos del CSIC enMadrid. Grupos de estos institutoshan estudiado los procesos decristalización de copolímeros como elestireno o el polypropileno, mediantemedidas de SAXS (ver figura 9.14.) y WAXS. Se ha encontrado que lacristalización tiene lugar en presenciade dominios ordenados de bloques de copolímeros y que dependedrásticamente de la temperatura (ver figura 9.14., izda.), apreciándosela evolución desde un estadofundamentalmente isótropo a baja T a otro mucho más cristalizado a alta T.

Tem

.s(nm -1)

0,050,10

0,15

0,2030

200

(a) MeasuredSAXS image

(b) Isotropiccomponent

(c) Orientedcomponent

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Los resultados de SAXS permitenobtener la fracción orientada en unamuestra en función de la temperaturay tensión aplicadas, lo que demuestraque para cada valor de la tensiónaplicada, tan sólo las cadenaspoliméricas con peso molecular porencima de uno crítico son susceptiblesde orientarse en la dirección de latensión, un resultado de interéstecnológico e industrial.

Como se ha podido ver, lasaplicaciones de la RS cubren un campocientífico enorme, aunque sólo se han

esbozado sus capacidades en Ciencia deMateriales. Queda fuera de esteresumen, entre otros temas, la química,una parte de la física, la biología, ladeterminación de estructuras deproteínas, con aplicaciones enmedicina, farmacia y biotecnología.

La RS será en las próximas décadasuna de las herramientas más utilizadasen ciencia, dada su gran versatilidad, y es de esperar que la comunidad deusuarios española aprovecharemos almáximo las oportunidades que elmomento actual nos brinda.

Bibliografía

CAMPMANY, J., BORDAS, J. Y PASCUAL,R.: “La luz de sincrotrón”, Investigación y Ciencia,281, febrero de 2000, p. 62, Prensa Científica, S.A.

“La luz sincrotrón ilumina obras de arte”, El País, 13 de julio de 2005, p. 30.Página web del ESRF dedicada a la documentación divulgativa: www.esrf.fr/AboutUs

/Documentation/ (algunos documentos están disponibles en castellano).