Transparencias de Pedro Gomez Romero

1. Historia de los materiales del futuro
Dr. Pedro Gómez-Romero

2. …….
“Use otro metal en lugar de hierro.”
Soñadores “¿Cobre?” dijo Morgan
“¡No! sería demasiado pesado. Tengo algo mejor que proponerles.”
de futuro “¿Entonces qué?” preguntó el mayor
“¡Aluminio!” replicó Barbicane.
“¿Aluminio?” exclamaron sus tres colegas a coro.
“Sin duda, mis queridos amigos. Ese valioso metal es blanco como la
plata, indestructible como el oro, tenaz como el hierro, fusible como
el cobre y ligero como el vidrio. Se trabaja fácilmente y es abundante
por doquier, ya que constituye la base de numerosas rocas, es tres
veces más ligero que el hierro, y parece haber sido creado con el
expreso propósito de proporcionarnos el material para nuestro
proyectil.
“Pero, mi querido presidente” dijo el mayor “¿no es el precio del
aluminio extremadamente alto?"
"Lo era", respondió Barbicane. “ poco después de su descubrimiento
la libra de aluminio costaba entre 260 y 280 dólares, después cayó a
27 dólares, y hoy, por fin, vale 9 dólares”
"pero 9 dólares la libra, respondió el mayor, que no se rendía
fácilmente, es todavía un precio enorme"
"sin duda, mi querido mayor, pero no inabordable"…………..
Jules Verne
Extracto de la novela “De la Tierra a la Luna”, capítulo 7.
(1828-1905) Julio Verne, 1865

3. Los padres del Aluminio
1808: Sir Humphrey Davy (Britain) discovered it and named it - Aluminum.
1821: P. Berthier (France) discovered a hard, reddish, clay-like material containing 52 per cent
aluminum oxide near the village of Les Baux in southern France. He called it bauxite –
1825: Hans Christian Oersted (Denmark) produced very small quantities of aluminum metal
(impure alloy) by mixing dilute potassium amalgam with anhydrous aluminum chloride.
1827: Freidrich Wohler (Germany) developed a method for producing pure aluminum powder
through a chemical reaction between potassium and anhydrous aluminum chloride.
1845: Wohler determined the specific gravity of aluminum (2.7) which illustrated one of its
unquie physical properties - it was extremely light compared to most metals known.
1854: Henri Sainte-Claire Deville (France) create the first commercial process for producing
aluminum which - at that time - was more valuable than gold.
1855: A bar of aluminum was exhibited alongside the Crown Jewels at the Paris Exhibition.
1885: Hamilton Y. Cassner (USA) improved on Deville's process for producing aluminum and
15 tons were produced that year!
1886: Paul Louis Toussaint Heroult (France) and Charles Martin Hall (USA), working
separately and unaware of each other's work, simultaneously invented a new electrolytic
process (eventually called the Hall-Heroult process) which is the basis for all aluminum
production today. By dissolving alumina in a bath of molten cryolite and passing a
powerful electric current through it, molten aluminum would be deposited at the bottom.
1888: The first aluminum companies were founded in France, Switzerland and the USA
1889: Freidrich Bayer (Austria), son of the founder of the Bayer chemical company, invented
the Bayer Process for the large scale production of alumina from bauxite.

4. Napoleon III,
Aluminio en la mesa y en la mente del emperador de Francia
1854: Henri Sainte-Claire Deville (Francia)
Crea el primer proceso comercial para producir Aluminio
... Un metal más valioso que el ORO
Exposición de París en 1855

5. Aluminio
Un metal que no tenia precio

6. Creadores
de futuro
Paul Louis Toussaint Al Charles Martin Hall
Héroult (1863-1914) 1886
Henri S.C. Deville (1863-1914)
(1818-1881)
1854: Henri Sainte-Claire Deville (Francia)
Crea el primer proceso comercial para producir Aluminio
... Un metal más valioso que el ORO

7. Evolución histórica
del precio del aluminio
1852
1400 1200
1200
precio ($/Kg)
1000
800
600 1855
400 250
1859 1886 1900 1909
200 40 15 1.5 0.6
0
1840 1860 1880 1900 1920
año

8. Evolución histórica
del precio del aluminio
10000 1852
1200
1855
1000 250
precio ($/Kg)
1859
Deville, 1854
40 1886
100 15
Expo Paris, 1855 1900
10
Verne, 1865
1.5 1909
Hall/Héroult, 1886
Alcoa, 1888
0.6
1
0.1
1840 1860 1880 1900 1920
año

9. 1852: 1200 $ / Kg
1854: Henri Deville
1855: Exposición de París en 1855
1859: 40 $ / Kg
Priceless 1865: Verne "de la Terre a la Lune "
1886: Hall/Héroult
1888: Hall funda la Pittsburgh
Reduction Company, conocida
después como la Aluminum
Company of America, or Alcoa.
1888 : 25 Kg/dia
1909: 41000 Kg/día
0.60 $ / Kg
worthless

10. •La historia está muy bien pero….
¿…y el futuro?
Análisis prospectivo de nuevos materiales
•Cómo trabajaremos en el futuro
•En qué trabajaremos en el futuro
•Tendencias generales

11. Historia Universal de los Materiales

12. Revolución industrial
e- Teoría atómica
puntos cuánticos
Agricultura, ganadería
nanotubos C
fullerenos
superconductores alta Tc
cerámicas funcionales
conductores transparentes (ITO)
aleaciones avanzadas
materiales ópticos
semiconductores III-V (GaAs)
germanio, silicio
óxidos electroactivos
aluminio
Fuego
acero
materiales magnéticos (Fe, ... NdFeB)
hierro
vidrio
bronce
cobre (plata, oro)
cerámica
piedra cemento
madera
hueso, marfil... plásticos (polímeros)
caucho caucho sintético
materiales compuestos
cristales líquidos
polímeros conductores
materiales moleculares
materiales híbridos
biomateriales
años antes del presente
100
1,000
10,000
100,000
10
1,000,000

13. Tendencias
¿Cómo está cambiando el paisaje de los materiales?
•Crecimiento explosivo (exponencial?)
•Crecimiento
•Asociado a revoluciones científicas
•Asociado científicas
•Sustentado en la retroalimentación CTS
•Sustentado retroalimentación
•Aumento de la variedad
•Aumento
•Tecnodiversidad
•Tecnodiversidad
•Ultraespecialización frente a multidisciplinariedad
•Ultraespecialización
•Cambios de énfasis
•Cambios énfasis
•de materiales estructurales
•de funcionales
•de la composición a la microestructura
•de composición
•de las toneladas a los nanometros
•de

14. Tendencias
•Crecimiento explosivo (exponencial?)
•Crecimiento

15. Revolución industrial
e- Teoría atómica
puntos cuánticos
Agricultura, ganadería
nanotubos C
fullerenos
superconductores alta Tc
cerámicas funcionales
conductores transparentes (ITO)
aleaciones avanzadas
materiales ópticos
semiconductores III-V (GaAs)
germanio, silicio
óxidos electroactivos
aluminio
Fuego
acero
materiales magnéticos (Fe, ... NdFeB)
hierro
vidrio
bronce
cobre (plata, oro)
cerámica
piedra cemento
madera
hueso, marfil... plásticos (polímeros)
caucho caucho sintético
materiales compuestos
cristales líquidos
polímeros conductores
materiales moleculares
materiales híbridos
biomateriales
años antes del presente
100
1,000
10,000
100,000
10
1,000,000

16. e- Teoría atómica
p. cuánticos
nanotubos C
fullerenos
supercond HTc
cerámicas funcionales
conductores transp. (ITO)
aleaciones avanzadas
materiales ópticos
Revolución industrial
Semicond.III-V(GaAs)
Agricultura, ganadería
germanio, silicio
óxidos electroactivos
aluminio
acero
materiales magnéticos (Fe, ... NdFeB)
hierro
Fuego
vidrio
bronce
cobre (plata, oro)
cerámica
piedra cemento
madera
hueso, marfil... plásticos (polímeros)
caucho
materiales compuestos
cristales líquidos
polímeros conductores
materiales moleculares
materiales híbridos
biomateriales
600,000
400,000
0
800,000
200,000
1,000,000
años antes del presente

18. Crecimientos exponenciales

21. ¿Exponencial?
Sigmoide

22. Evolución tecnológica
Tramos evolutivos sigmoidales
Nueva tecnología
Transición
- compleja
Tecnología antigua
Prestaciones
Tiempo

23. Ley de Moore
Gordon Moore (co-fundador de Intel)
predijo en 1965 que la densidad de
transistores en los chips de
semiconductores se doblaría
aproximadamente cada 18 meses.

24. Ley de Moore

25. El primer transistor…
…y sus inventores
J. Bardeen, W. Shockley, W. Brattain (1947)

27. Ley de Moore

28. 1 2 4 8 16 32 64 128
256 512 1024 2048 4096 8192 16E3 33E3
65E3 13E4 26E4 52E4 10E5 21E5 42E5 84E5
17E6 33E6 67E6 13E7 27E7 54E7 11E8 21E8
Ley de Moore
9E18

29. La Ciencia de Materiales al rescate de la Ley de Moore
nanotecnología

30. nanotecnología
macro Física, Ingeniería
mm Top-down
(descendente)
micro
µm Biología
nano
nm
Bottom-up
(ascendente)
Química
1900 2000

31. nanotecnología
descendente

32. Heinrich Jaeger and Ward Lopes
Nature, Dec. 13 2001
nanotecnología
ascendente

33. ascendente
Engranaje molecular
Planetary gear (simul.)
K. Eric Drexler.
Inst. Molec. Manufacturing
and
Ralph C. Merkle
Xerox PARC.

34. Tendencias
•Cambios de énfasis
•Cambios énfasis
materiales estructurales frente a funcionales

35. Nuevos materiales para
Nuevos mundos

36. La Estación espacial internacional: Retroalimentación entre el desarrollo científico PARA la ISS
y el desarrollo científico GENERADO en la ISS
Paneles solares. Semiconductores, conversión fotovoltaica
Pilas de combustible
Ensayos en microgravedad
Cristalización

37. Ciencia de materiales.
El reto del cemento lunar

39. De vuelta a la Tierra
Problemas de baja tecnología
La maldición del rojo
Ni la dama ni el caballero de esta
cerámica parecen muy contentos con el
color rojo quebrado de su rosa. Detalle
del plafón polícromo "La chocolatada",
Barcelona, s.XVII.(Museo de Cerámica
de Barcelona)

40. Problemas de baja tecnología

41. La maldición del rojo
sulfoseleniuro de cadmio
CdSe1-xSx
Cadmio
Tóxico. Nuevas regulaciones
Matisse, La dance

42. La maldición del rojo
Ca(1-x)LaxTaO(2-x)N(1+x) serie de compuestos que van del
CaTaO2N (x=0) amarillo al
LaTaON2 (x=1) rojo.
M. Jansen, H.P. Letschert; Nature Vol. 404, 27 April 2000, p.980

43. •CAMBIOS de énfasis y…
•NUEVOS énfasis: Aspectos medioambientales
•Evaluación medioambiental en prospectiva de materiales
•Reciclado. Ciclo integral
•Nuevos procesos de fabricación benignos con el medio ambiente

44. Gran Ciencia frente a ciencia libre
o
La ciencia divertida frente a la ciencia utilitaria
¿tiene eso algo que ver con el desarrollo de materiales?

45. serendipia

46. Serendipity:
“the faculty or phenomenon of finding valuable or
agreeable things not sought for”
Etymology: from its possession by the heroes of the fairy
tale “The Three Princes of Serendip” Date: 1754
Serendipia
Serendipia. Descubrimientos accidentales en la ciencia
Royston M. Roberts. Traducción: Jesús Unturbe Sanchiz
1989 John Wiley & Sons, 1992 Alianza Editorial.
http://www.cienciateca.com

47. Serendipia de materiales
La vulcanización del caucho

48. Charles Goodyear
1800-1860
Vulcanización
del caucho

50. Serendipia de materiales
El primer tinte sintético

51. Sir William Henry Perkin
(1838-1907)

52. 1856
Intento de síntesis de Quinina
(C20H21N2O2)
por oxidación de la anilina.
En su lugar....
William Henry Perkin
(1838-1907)
en 1852 mauveína

53. 1857
Fábrica Perkin & Sons
cerca de Londres

54. Ejemplos recientes de
Serendipia de materiales
Cómo ganar un premio Nobel
con un balón de fútbol

55. Sussex, England, 1970s Harry Kroto and Dave Walton

56. USA, Richard Smalley. Evaporación con láser ... clusters

57. 1985, Kroto and Smalley colaboran...
cadenas más largas?

60. Kroto, Curl and Smalley
Nobel de Química 1996
for their discovery of fullerenes.

61. nanobalón
1nm = 0.000000001 m

63. nanotecnología

64. Más ejemplos recientes de
serendipia de materiales
plásticos que conducen la electricidad
Combinaciones insospechadas
La riqueza científica de las interfases
Interdisciplinariedad

65. Polímeros Conductores
2000 Premio Nobel de Química
"for the discovery and
development of conductive
polymers"
Hideki Shirakawa Alan GMacDiarmid Alan J Heeger

66. 1970s
Laboratorio del Dr. Shirakawa, Japón
especialista en poliacetileno
Síntesis por error!
Un asistente emplea 1000 veces la cantidad necesaria de catalizador...
Un material polimérico y brillante
(nueva forma de poliacetileno )
Polinitruro de azufre (SN)x
exótico material conductor (brillante)
McDiarmid
Penn State Univ. USA
Heeger

67. Presenta una conferencia en Japón
Menciona el polinitruro de azufre (SN)x
McDiarmid
Cofee break !
Dr. Shirakawa, invitado a USA

68. Penn State Univ. USA
Polinitruro de azufre (SN)x
se dopa con iodo
McDiarmid
Probemos a dopar con iodo el nuevo poliacetileno
Heeger
Shirakawa
En unos minutos
la conductividad del poliacetileno
aumenta 10,000,000 veces

70. Polímeros Conductores
Table 1. Estructura y cronología de polímeros conductores
Nombre Añoa Estructurab Ref
Poliacetileno PAc 1977 3
Poli(p-fenileno) PPP 1979 4
Poli PPV 1979 5
(p-fenilenovinilideno)
Polipirrol PPy 1979 H
N
H
N
6
N N N
H H H
Polianilina PAni 1980 N N
7
N N
Politiofeno PT 1981 S S 8
S S S
Polifurano PF 1981 O O 8
O O O
a
Año de su publicación como polímero conductor
b
Estructura lineal idealizada.

71. ¿Cómo de conductores son
los Polímeros Conductores?
http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2000

72. •Cómo trabajaremos en el futuro
•Interdisciplinariedad
•Rapidez
•Flexibilidad …

73. •En qué trabajaremos en el futuro
•Temas aplicados/orientados…
…y Temas básicos y esencialmente fundamentales
•Ultraespecilización, Grandes equipos…
…y Visión generalista
•Variedad

74. Claves
Info-
nano-
bio-
materiales

75. Biomateriales

77. Nuestra capacidad de diseñar
nuevos materiales y sistemas
está limitada sobre todo por
nuestra limitada imaginación

78. Lo mejor está todavía por descubrir...
...esperando a los nuevos creadores de futuro...
ustedes

79. http://www.cienciateca.com