conferencia espacio
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rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Las edades de la humanidad
Edad de piedra Edad de bronce Edad del hierro Edad….
Edad del plásticoEdad del SilicioEdad del ?
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
De la cultura clásica a las ciencias modernas
Grecia antigua: hegemonía del pensamiento
Cultura china: Sabiduría/armonía de
las cosas
Edad Media
Renacimiento
Ilustración
Ciencia moderna
Cultura Islámica:Compendio de conocimientos
comercioLegado escrito
InvasionesComercioCruzadas
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Química
Alquimia griega: los “cuatro” elementos
Alquimia china: la pólvora
Alquimia árabe: el vidrio
Alquimia europea medieval: la Piedra Filosofal (métodos de purificación)
Empirismo Racionalización
QUÍMICA
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Química: los elementos, punto de inflexión
Los elementos son los “bloques más pequeños de materia” que un químico puede manejar: SON EL ALFABETO DE LA QUIMICA
Dmitri Ivanovich Mendeleev 8
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1869
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El descubrimiento de los elementos químicos
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descubrimiento de elementos químicos
Siglo
CarbonoAzufreHierroCobreZincPlataEstañoAntimonioOroMercurioPlomo
Elementos conocidos desde la prehistoria
Arsénico 1250Bismuto 1540Platino 1557Fósforo 1669Cobalto 1735Níquel 1751Magnesio 1755Hidrógeno 1766Nitrógeno 1772Oxígeno 1774Cloro 1774Manganeso 1774Molibdeno 1778Telurio 1782Wolframio 1783Circonio 1789Uranio 1789Estroncio 1790Titanio 1791Itrio 1794Berilio 1797Cromo 1797Vanadio 1801Niobio 1801Tantalio 1802Rodio 1803Paladio 1803Cerio 1803Osmio 1803Iridio 1803Sodio 1807Potasio 1807Boro 1808Calcio 1808Bario 1808Yodo 1811Litio 1817Selenio 1817Cadmio 1817Silicio 1824Aluminio 1825Bromo 1826Torio 1829Lantano 1839Erbio 1842Terbio 1843Rutenio 1844Cesio 1860Rubidio 1861Talio 1861Indio 1863Galio 1875Holmio 1878Iterbio 1878Escandio 1879Samario 1879Tulio 1879Gadolinio 1880Flúor 1886Germanio 1886Disprosio 1886Argón 1894Helio 1895Praseodimio 1895Neodimio 1895Neón 1898Kriptón 1898Xenón 1898Polonio 1898Radio 1898Actinio 1899Radón 1900Europio 1901Lutecio 1907Protactinio 1917Hafnio 1923Renio 1925Tecnecio 1937Francio 1939Astato 1940Neptunio 1940Plutonio 1940Americio 1944Curio 1944Prometio 1945Berkelio 1949Californio 1950Einsteinio 1952Fermio 1952Mendelevio 1955Nobelio 1958Lawrencio 1961Rutherfordio 1964Dubnio 1967Seaborgio 1974Bohrio 1976Meitnerio 1982Hassio 1984Darmstadtio 1994Roentgenio 1994Ununbio 1996Ununquadio 1999Ununhexio 1999Ununtrio 2004Ununpentio 2004
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Nunca tan pocos hicieron tanto…
Todos los materiales que conocemos (y los que no conocemos también) están formados por un número relativamente reducido de elementos
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Materiales naturales
Si, pero…
•Piedra•Madera•Hierro•Vidrio•Cerámica (barro cocido)
Ligeramente transformados
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Nuevos materiales
Diseño de nuevos materiales:I+D+i
Usos comunes
Bajo precioProd. MasivaEcologíaEficiencia energéticaPrestaciones medias
Usos de altasprestaciones
Prestaciones óptimasEficientes
Producción reducidaPrecio elevado Ecología
Transferencia de tecnología
Investigación básica: ConocimientoDefinición de propiedades Estrategias de preparaciónVerificación de propiedadesIngeniería de fabricaciónFabricación de prototiposVerificación en condiciones de usoFabricación de dispositivos
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tierra
Investigación astronómica
Investigación orígen de la vida
Tecnologías de vuelo
Seguridad
Teledetección
Nuevos materiales
Experimentación en gravedad cero
Instrumentacion cientifica
Energías renovablesTelecomunicaciones
espacio
Medicina
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
18.- Recubrimientos de vidrios19.- Circuitos flexibles, baterías,
LED's…20.- Alimentos infantiles enriquecidos21.- Sistemas de iluminación 22.- Purificación de agua23.- Tratamiento de residuos24.- Luces de bajo consumo25.- electrodomésticos portátiles26.- Luces de emergencia27.- Electrodomótica28.- Sistemas de control de alimentos29.- Tecnologías de conservación de
alimentos30.- Herramientas portátiles31.- Neveras "Peltier"32.- MEMS (Micro-electro-mechanical-
systems)33.- Observación y predicción
metereológica34.- Transmisiones via satélite
1.- Calentadores solares2.- Aislamiento térmico reflectante3.- Composites en artículos deportivos4.- Redes inalambricas /software /bluetooth 5.- Relojes de cuarzo6.- Control de consumo electrico7.- Control bacteriologico8.- Espuma viscoelástica9.- Tecnología ortopédica10.- Calzado deportivo11.- Tejidos aislantes12.- Cosmética, dentífricos, termómetros IR13.- Aleaciones con memoria de forma14.- Tratamiento de aguas residuales15.- Sistemas de seguridad16.- Pantallas planas17.- Tejidos ignífugos
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Condiciones en el espacio
Ausencia de gravedad (aparente) Temperaturas extremas o cambios bruscos
de temperatura Vacío casi absoluto (presión negativa) Radiaciónes de alta energía Oxígeno atómico
MATERIALES FIABLES
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
faster, cheaper, lighter
resistentes mecánicamente y duraderas: la velocidad de escape de la tierra es de 11.2 km/s y durante el proceso de despegue se producen intensas vibraciones.
fiables: es muy complicado, si no imposible la reparación en el espacio compactas (el espacio es muy limitado en el espacio infinito…) resistentes a cambios bruscos de temperatura resistentes a las radiaciones de alta energía (UV, rayos-X, Gamma) eficientes energéticamente resistentes a la corrosión (presencia de oxígeno atómico) ligeras (poner un kilogramo de peso en el espacio supone un coste
elevadísimo, ≈ 20000 €/kg) baratas (aunque no sea un factor limitante, obviamente se intenta
minimizar los costes de producción)
Se requieren soluciones técnicas (materiales y diseño de dispositivos)
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Proyecto MISSE
Se estudian simultáneamente 1700 materiales entre: •polímeros, tejidos, aleaciones, cerámicas y composites; •componentes electrónicos, células solares, pequeños motores o interruptores; •materiales vivos como semillas, esporas y bacterias …
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Protección térmica
Los primeros vuelos espaciales tripulados (Sputnik, Mercury, Apollo) regresaban a la tierra por caída libre (trayectoria bálística). NO ERAN REUTILIZABLES. Aislamiento térmico por ablación (sílice y resinas fenólicas)
Los trasbordadores espaciales tienen un ciclo de vida de 100 misionesSe debe proteger la vida de los astronautas y la integridad del equipo. Durante la maniobra de entrada en la atmósfera los sistemas de navegación deben ser operativos
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Protección térmicaEl trasbordador espacial entra a una velocidad de 7.5 km/s (27000 km/h) La fricción del aire a esta velocidad es suficiente para elevar la temperatura de la superficie a 1600 C.
1.- mantener la temperatura por debajo de 175 C en el interior para una temperatura máxima exterior de 1260 C. 2.- Ser reutilizables hasta 100 misiones. 3.- superficie suave4.- materiales de baja densidad5.- Soportar temperaturas extremas entre -110 C y 1260 C6.- Resistir gradientes térmicos extremos 7.- Resistir los esfuerzos mecánicos 8.- No absorber agua ni contaminantes en tierra9.- Adherirse bien a las superficies de aluminio
Requisitos definidos para los trasbordadores espaciales
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Tipos de protecciones térmicas
Nombre
Temp. de uso C Composición
Min. Max
Felt reusable surface insulation -130 400 Fieltro de nylon recubierto con caucho de silicona
Advanced Flexible reusable surface insulation (AFRSI)
-130 815 Láminas de cuarzo recubiertas de fibra de cuarzo y de vidrio
Low-temperature reusable surface insulation (LRSI)
-130 650 Losetas de sílice recubiertas de vidrio borosilicato
High-temperature reusable insulation -130 1260 Losetas de sílice recubiertas de vidrio borosilicato y SiB4
Reinforced carbon-carbon (RCC) no detectado
1650 Composites de carbono recubiertos de SiC
Fuente: L.J. Corp., C. A. Morant, R. M. Calland, C. S. Thatcher, “The Shuttle Orbiter Termal Protection System”, Ceramic Bulletin, 1981 (11), p.1188
FRSI
AFRSI
LRSI
HRSI
RCC
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010W.D. Callister, Materials Sciene and Engeneering, electronic edition
Distribución de protectores térmicos
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Ensayo de materiales en el túnel térmico
El transbordador espacial entra en la atmósfera a 7.5 km/s y genera una temperatura del orden de 1600 ºC.
El proyecto Orion
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Usos terrestres
Catalizador de oxidación del CO a CO2
Sistemas de protección térmica de pilotos basados en los TPS del Space Shuttle (Foto del Kennedy Space Center)
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Mantas térmicas
•Se desarrollaron en 1964 para aislamiento de equipos en el espacio. •Son películas multicapa de poliester recubiertas de aluminio•Reducen un 95% las pérdidas de calor por radiación (de 200 Wcm-2 a 10 W cm-2)
Se utilizan en :-Primeros auxilios-Montañismo-Deportes
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Carga útil
Ariane 4- Agencia Espacial Europea
payload fraction = Carga útil
Peso totalX 100
En aviones comerciales es del orden del 30%En cohetes espaciales del orden del 1-2%
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Energía y medio ambiente: Reutilización de recursos
Poner en órbita un Kg de peso cuesta ≈ 20000 €
Un astronauta consume diariamente 0.8 kg de O2 y genera 1 Kg de CO2
Poner en órbita el oxígeno necesario para una tripulación con una estancia de 1 año puede costar del orden de 30 millones de euros…
SE IMPONE LA REUTILIZACIÓN DE LOS RECURSOS
Reciclado de aire 1: El CO2 exhalado se extrae de la cabina.
2: CO2 + 3H2 CH4 + 2H2O3: 2 H2O 2H2 + O2
Air Revitalisation System (ARES)
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Las celdas solares en el espacio
Los paneles solares de la ISS contienen 262,400 celdas, que ocupan una superficie de 2,500 m2
Proyecto “suntower”
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Energía solar fotovoltáica
Son la tecnología actual: obleas de Si
Presente/Futuro inmediatoCeldas de Si amorfo integradas
La eficiencia de estas celdas está entre el 5 y el 15%
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Celdas solares de última generación
Las células solares de Silicio ya son una tecnología amortizada
•Costosas de producir en términos energéticos•Bajo rendimiento
La industria electrónica ya no genera TANTOS deshechosLa demanda aumenta
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Celdas multiunión o celdas en tandem
Son multicapas de semiconductores (tipo n y tipo p) que absorben eficazmente los fotones de de varias energías (desde el UV hasta el IR).
La eficiencia de estas celdas está en el rango del 30 al 40%.
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Películas solares
Paneles de CdTe en estudio para aplicaciones espaciales Estabilidad frente a la radiación
EficientesBaratasFáciles de producir
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Celdas de combustible … de digestión…
El proceso de digestión de algunas bacterias (familia geobacter) puede realizarse de una forma análoga a la combustión en una celda.
Al oxidación de la materia orgánica genera electrones que pueden derivarse por un circuito externo…
En desarrollo….
Geobacter metallireducens http://www.geobacter.org/ Nature reviews /Microbiology (4), Julio 2006, pp.497-508
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
celda de sedimentos
a | Esquema de funcionamiento de la celda: Los organismos de la familia Geobacteraceae pueden oxidar los acetatos procedentes de la fermentación de materia orgánica y transferir electrones a electrodos de grafito en el sedimento. Estos electrones circulan por un circuito externo hasta el cátodo situado en la zona aeróbica del agua, donde reducen al oxígeno. b | Celda prototipo real
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Materiales inteligentes (SMART)
Son aquellos que ACTUAN de una forma predeterminada respondiendo a estímulos externos
Todos los materiales tienen algo de “inteligencia”, puesto todos responden de una u otra forma a estímulos externos
Expansión térmica
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Tipos de materiales inteligentes
Bajo el denominador de materiales inteligentes se incluyen:
•Materiales piezoeléctricos•Aleaciones con memoria de forma•Polímeros electroactivos•Materiales electrocrómicos•Polímeros viscoelásticos•Etc.
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Aleaciones con memoria de forma
Una aleación con memoria de forma (SMA) es un material que después de sufrir una deformación plástica recupera su forma al elevar la temeratura
Este fenómeno se descubrió en 1932. En 1961 William Beuhler del Naval Ordnance Laboratory (NOL) descubrió una aleación de Ni y Ti que presentaba esta propiedad (NiTiNOL)
Picture from http://www.fitec.co.jp/ftm/nt-e/
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Como funcionan?
Todas las aleaciones SMA son polimórficas, con estructuras tipo austenita (fase de alta temperatura) y martensita (fase de baja temperatura).
Figura de: smart.tamu.edu
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Mecanismo de acción de la SMA
Calentamiento
Ciclo de deformación a escala macro
Ciclo de deformación a escala micro
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Aplicaciones SMA: acoplamiento de tuberías
Acoplamiento de tuberías con un empalme de NITINOL
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Aplicaciones SMA: válvulas de control de flujo
Acoplamiento de tuberías con un empalme de NITINOL
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Usos industriales
Monturas indeformables
Válvula de seguridad duchas
Muelles de aspas de helicóptero
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Aplicaciones SMA: aplicaciones médicas
- Recuperación de forma- Superelasticidad- Tensión constante
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
SMA: Prótesis de manos
Mano de Hierro Götz von Berlichingen
"Le Petite Loraine“ de
Funciones básicas de prensión
Brazo del tipo Conde Beafort
Mano de Canterbury Articulaciones motorizadas
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
SMA: Prótesis de manos, tendones inteligentes
Mano activa conTendones de NITINOL
Simulación de las cuatro funciones básicas de prensión de la mano
Ventajas:-Peso reducido-Grados de libertad-
Inconvenientes-Recuperación de forma por calor- Consumo eléctrico elevado
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Polímeros electroactivos
Son materiales que responden a un estímulo eléctrico cambiando de forma.
Son polímeros conductores dopados con surfactantesTienen una parte hidrófila
Nafion®
La deformación se produce por la migración de moléculas de agua bajo el efecto de un campo eléctrico
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Actuadores basados en polímeros electroactivos
Apertura y cierre de microviales(uso en microbiología)
Aumento de volúmen o longitud
Sistemas bicapa
Demo sólido platonico
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Forceps de polímero electroactivo
Desarrollan una fuerza del orden de 70 veces su peso
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
El colchón espacial
La espuma de poliuretano viscoelástica se adapta por efecto de la presión y de la temperatura, recobrando después su forma original
Material desarrollado en los años 70 por el centro de investigación en materiales de la NASA
Se diseñó para los asientos de las lanzaderas espaciales
Aplicaciones: descanso (almohadas, colchones) camas de hospital, asientos de coches
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Vidrio electrosensible
Vidrio que cambia de transparente a translúcido con un simple “clic”.Vidrio laminado con partículas de cristal líquido. Apagado: las partículas de CL están orientadas al azar (OPACO)Encendido: las moléculas de cristal líquido se orientan en dirección perpendiculas al vidrio (TRANSPARENTE)
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Vidrio electrocrómico
Recubrimientos electrocrómicos sobre vidrioCapas delgadas de WO3 obtenidas por proceso SOL-GEL
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Nanociencia
materiales tecnología…
There's Plenty of Room at the Bottom ...
Richard FeynmanCal Tech, 1959
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
¿Qué es la nanotecnología?
Es la creación de materiales /dispositivos o sistemas de cualquier tamaño mediante el control y la manipulación de la materia a escala nanométrica (o de algunas decenas de nanómetros) y la explotación de sus nuevas propiedades.
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Como de pequeño es un nanómetro?
Nanometro = 10-9 m
•Unos 10 átomos •Proteinas 1-20 nm•Pista de microchip 90 nm (en2005)•Diámetro de cabello ~ 10.000 nm
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
el tamaño si que importa…
Cuando los materiales se encuentran a escala nanométrica muchas propiedades intensivas comienzan a depender del tamaño, por ejemplo:
•La temperatura de fusión•Las propiedades mecánicas (adhesión)•Las propiedades ópticas (absorción y dispersión de la luz)•Propiedades eléctricas (corriente por efecto túnel)•Propiedades magnéticas (efecto superparamagnético)
propiedades nuevas nuevas aplicaciones
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Punto de fusión del oro (1064.18 °C)
Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley, 2001
Oro fundido
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
la salamanquesa nanotecnológica, milagro de adherencia
¿ Cómo desafía la salamanquesa la fuerza de la gravedad?
La respuesta está en la nanotecnología
Los dedos están cubiertos de “nanopelos” que se adaptan PERFECTAMENTE a las superficies a escala nanométrica
ENLACES DE VAN-DER-WAALS
Hasta 500.000 pelos/mm2
Biomaterials: Silk-like secretion from tarantula feetStanislav N Gorb et al Nature 443, 407 (28 September 2006)
Ausencia de líquidos o secreciones¿Botas espaciales?
Nanotubos de carbono imitando la pata de una salamanquesa
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Propiedades ópticas (1)
Nanotecnología romana:Vaso de Licurgo.Nanopartículas de oro dispersas en el vidrio
Difusión de luz por el efecto Rayleigh
Nanopartículas de plata
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Aerogeles nanométricos, la levedad de la materia
Los poros nanométricos de un aerogel de sílice no refractan la luz
SON MATERIALES TRANSPARENTESSON AISLANTES TÉRMICOS CASI PERFECTOS
Geles sólido-aire que contienen más del 95% en volumen de aireSu densidad es 1000 veces menor que el vidrio y solo 3 veces superior a la del aire.
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
el aislamiento del sousounder,misión Mars Pathfinder
El peso total del vehículo “soujourner” es de 11.5 kg
El aislamiento de la electrónica se realizó con un aerogel de SiO2
Prototipo del Sourounder
El vehículo en acción
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Nanogeles como sustituto del vidrio
Ligeros (1000 veces menos denso que el vidrio)Translúcidos o transparentesResistentes mecánicamenteAislan 20 veces más que el vidrio
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Propiedades electricas
• A escala nanométrica los aislantes dejan de ser eficaces debido al efecto túnel•Este efecto crece exponencialmente con la disminución del espesor de aislante.• Este efecto se emplea en algunos dispositivos como los microscopios de efecto túnel• El efecto túnel supone una barrera física en la miniaturización de los transistores
Potencia activa frente a potencia de fuga en microprocesadores
El efecto túnel que se presentaría para transistores con una puerta del orden de 5 nm supone una barrera infranqueable a la miniaturización de los chips actuales.
Una de las tecnologías que podrían remplazar el chip de silicio se basa en la fabricación de transistores de efecto campo (FET) utilizando nanotubos de carbono.[1]
[1] P. Avouris, Materials Today, vol 9 (10), Octubre 2006, 46-54
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Ley de Moore: el número de transistores en un chip se duplicaría cada dos años…
Es una ley (no enunciada oficialmente), que ha predicho con mucha precisión el progreso de la informática en los últimos 40 años…
Formulada en 1965, antes de la invención del microprocesados
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Otras predicciones no tan acertadas….
Pienso que hay un mercadomundial para no más de cinco
computadorasDicho por: Thomas Watson, pres idente de I BM en 1943.
No existe razón algunapara que la gente quisiera teneruna computadora en su casa.
Dicho por: Ken Olson (pres idente y fundador de Digital Equipment) en1977.
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Propiedades químicas
La superficie de los sólidos es más rica energéticamente que el interior.
Todas las reacciones sólido-gas se producen en la superficie
Las nanopartículas son más reactivas que los sólidos extensos.
Muchas reacciones químicas tienen lugar en la superficie de los sólidos
Aplicaciones en catálisis
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Otra vez el carbono…
El carbono es un elemento singular en la tabla periodica
1s2 2s2 2p2
Esta configuración electrónica hace posible una gran variedad de enlaces
El carbono se enlaza a otros átomos de carbono de múltiples maneras
Estructura tipo diamante Estructura tipo grafito
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
nanotubos de carbono
Un NTC (CTN) es una forma tubular de carbón.Se pueden considerar derivados del “grafeno”con diámetros del orden de un nanómero.
Las propiedades de los nanotubos dependen de su geometría
Los nanotubos de carbono tienen propiedades mecánicas extraordinarias: Su módulo de Young es del orden de 1 Tera Pascal, (como el diamante), y la tensión a tracción de ~ 200 GPa.
Son materiales unas 100 veces más resistente que el acero…
Si (m-n)/3 es par, tiene caracter metálicoPueden ser conductores o aislantes en funcíón de la geometría, en caso contratrio (semiconductor).
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
algunas propiedades ….
Son unas 100 veces mas resistentes que el acero pero seis veces más ligeros
Son tan buenos conductores térmicos como el diamante
Son inertes químicamente
Pueden ser metálicos o semiconductores (con ancho de banda variable)
Soportan 1000 veces más densidad de corriente que el Cu
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
pero son todavía futuro…
Los métodos de síntesis actuales son poco específicos
Producen materiales con muchas impurezas
No se pueden reproducir las geometrías deseadas
No hay métodos de manipulación adecuados para la producción a gran escala
No hay medios adecuados para la determinación precisa de sus propiedades
Todavía queda mucho trabajo por delante…
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
• Composites de alta resistencia mecánica (PMCs, CMCs, MMCs…)
• Materiales nanoestructurados: nanopartículas, nanotubos… • Materiales multifuncionales : materiales autoreparables
• Sensores (físicos, químicos, biológicos…)
• NEMS (Nanoelectromechanical systems)
• Baterias y celdas de combustible: sistemas de potencia
• Barreras térmicas y tejidos resistentes
• Tecnologías de comunicación y radar
• Integración de sistemas (nano-micro-macro)
• Nuevas tecnologías de producción (botom-up)
áreas de interés de la nanotecnología para el espacio
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Materials
Electronics/computing
Sensors, s/c components
• Single-walled nanotube fibers
• Low-Power CNT electronic components
• In-space nanoprobes
• Nanotube composites
• Molecular computing/data storage
• Nano flight system components
• Integral thermal/shape control
• Fault/radiation tolerant electronics
• Quantum navigation sensors
• Smart “skin” materials
• Nano electronic “brain” for space Exploration
• Integrated nanosensor systems
• Biomimetic material systems
• Biological computing
• NEMS flight systems @ 1 µW
2002 2004 2006 2011 2016
NASA Nanotechnology Roadmap
>
Increasing levels of system design and integration
C A P A B I L I T Y
High StrengthMaterials (>10 GPa)
Reusable Launch Vehicle (20% less mass, 20% less noise)
Revolutionary Aircraft Concepts (30% less mass, 20% less emission, 25% increased range)
Autonomous Spacecraft (40% less mass)
Adaptive Self-Repairing Space Missions
Multi-Functional Materials
Bio-Inspired Materialsand Processes
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010E.V. Barrera, Rice University in Carbon Nanotubes: Science and Applications: M. Meyyappan, CRC Press, 2004
Composites de nanotubos de carbono
-Protección contra la radiación-Recubrimientos de protección térmica-Partes ligeras y tenaces-Componentes de motor
Recubrimientos anti-hieloProtección contra el rayoSensores de esfuerzo mecánicoPartes ligeras y resistentesComponentes de motor
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Ciencia ¿ficción?
El ascensor Espacial
Nuevos materiales de construcción más ligeros y resistentes
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
E.V. Barrera, Rice University in Carbon Nanotubes: Science and Applications: M. Meyyappan, CRC Press, 2004
Composites de nanotubos de carbono
LEDS orgánicosCubiertas tenaces y ligerasCerámicas conductoras
Partes ligeras y resistentesComponentes de motor
Pinturas anti-graffitiRecubrimientos protectores de UVProtección contra la corrosión
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Nanotubos en la
Artículos deportivos mucho mas ligeros y resistentes
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
PasadoMacro-ordenadores: miles de personas comparten un ordenador central
PresenteOrdenadores personales
FuturoCientos (miles) de chips a nuestro servicio: ordenadores en las puertas, interruptores inteligentes, chips en la ropa o el calzado …
Nanoelectrónica y computación
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
aplicaciones presentes de la nanotecnología
• Nuevos sensores para (medicina, medioambiente y fabricación de productos químicos y farmaceuticos)• Mejores técnicas fotovoltaicas ( energía renovable)• Materiales más ligeros y fuertes (defensa, aeronaútica, automóvil y aplicaciones médicas)• Envases "inteligentes" (alimentación, congelados, farmacia)• Pantallas mejores ligeras, finas y flexibles • Lab-on-a chip (análisis, diagnóstico) • Cremas de protección solar con nanopartículas que absorben los rayos UV • Gafas y lentes ligeras (resistentes e imposibles de rayar )• Recubrimientos multifuncionales (vidrios, catalizadores, etc)• impresoras, lectores de CD’s, airbags, tratamientos ignífugos, etc.,
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Comisión Europea
EUR 21151 — La nanotecnología. Innovaciones para el mundo del mañana. ISBN 92-894-7498-X
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Recubrimientos antireflejo y “FLOR DE LOTO”
Recubrmientos antireflejo para vidrios de coche y pantallas
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
nanosensores
Los sensores se emplean en la vida ordinaria para medir una gran variedad de parámetros:
Presión - TemperaturaDesplazamiento - Aceleración - Flujo
Concentración de especies contaminantesParámetros químicos (pH, concentraciones de gases, cationes etc.) y bioquímicos (presencia de bacterias,
antibióticos, …)
Sensores de presión para:
•Instrumentación médica•Deportes•Neumáticos
Sensores de presión Sensilica™
www.apogeemems.com
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
nanosensores
Los sensores se emplean en la vida ordinaria para medir una gran variedad de parámetros:
Presión - TemperaturaDesplazamiento - Aceleración - Flujo
Concentración de especies contaminantesParámetros químicos (pH, concentraciones de gases, cationes etc.) y bioquímicos (presencia de bacterias,
antibióticos, …)Sensores capacitivos de posición
Rango de medida hasta 1000 µmResolución <0.01 nmLinearidad to 0.003 %
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
nanosensores
Los sensores se emplean en la vida ordinaria para medir una gran variedad de parámetros:
Presión - TemperaturaDesplazamiento - Aceleración - Flujo
Concentración de especies contaminantesParámetros químicos (pH, concentraciones de gases, cationes etc.) y bioquímicos (presencia de bacterias,
antibióticos, …)
Sensor de “usar y tirar2 para la detección de contanimantes alimentarios tóxicos producidos por bacterias como Staphylococcus aureus, salmonella, E.Coli
Genosensor:
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
lab on a chip, microfluídica, microreactores
Dispositivo de diagnósticoThe origins and the future of microfluidics
George M. WhitesidesNature 442, 368-373(27 July 2006)
Análisis clínicosDetección de antibióticosReacciones químicas selectivas Producción de fármacosMicro-valoracionesMicrocalorimetríaBioquímica
Mezclador simple
Mezcladores complejos
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010Copyright ©2006 by the National Academy of Sciences
Hiratsuka, Yuichi et al. (2006) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 13618-13623
Nanomotor movido por una bacteria…
La conversión de energía biológica en energía mecánica no es nada nuevo. En la naturaleza hay numerosos ejemplos de sistemas que convierten energía química en E. motriz
El combustible empleado en este motor es directamente glucosa
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010Copyright ©2006 by the National Academy of Sciences
Hiratsuka, Yuichi et al. (2006) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 13618-13623
Imágenes SEM de una pista de Si (a-D) y el rotor se SiO2 (E, F)
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010Copyright ©2006 by the National Academy of Sciences
Hiratsuka, Yuichi et al. (2006) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 13618-13623
Imágen de un rotor encajado en la pista y ejemplo de la rotación producida por la
bacteria Mycoplasma mobile
Película del movimiento
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Firesorb de Degussa
1- Polímero absorbente2- Agua3-Aceite de semillas de uva
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Vidrio autolimpiable
Acción antivaho
Actividad de una capa de TiO2
Vidrio autolimpiable
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
las ondas de la innovación de Norman Poiré
Los grandes avances conceptuales se producen dos veces por siglo
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Diagrama cronológico de la nanociencia
Fuente:Nanotecnología: La revolución industrial del siglo XXIFundación de la Innovación BANKINTER, 2006
rafael ibáñez, 10 de nov de 2010
Cuando? Cuanto?
La “National Science Foundation” de EE.UU prevé un mercado de un trillón de dólares en los próximos 10-12 años