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Cursos

 

Fronteras en Ciencia de Materiales

18 abril - 10 mayo de 2017
Director: J. Ricote Santamaría. Codirectora: S. Gallego Queipo

Curso de introducción a la investigación en las fronteras del conocimiento en ciencia de materiales. El curso se imparte anualmente y está configurado como una serie de clases impartidas por expertos. Cada clase contiene una breve introducción con los fundamentos básicos necesarios para entender el planteamiento de la investigación, y después aborda el desarrollo actual de cada tema y sus posibles líneas de avance.

Se hace un recorrido por diversos tipos de materiales actualmente de interés por sus propiedades fundamentales o por sus aplicaciones. Se describen tanto procedimientos de preparación y caracterización de los materiales, como modelos para explicar los fenómenos físicos subyacentes en las propiedades bajo estudio, además del diseño de aplicaciones y dispositivos basados en ellos. Se consideran problemas abiertos, planteando cuáles son las limitaciones actuales para resolverlos.

Los temas tratados incluyen áreas muy diversas: materiales moleculares y supramoleculares, biomateriales, materiales para la salud, recubrimientos, nanofotónica, espintrónica, multiferroicos, materiales para la energía, grafeno, superconductores y computación cuántica, entre otros.

 


Este curso es gratuito y cumple las condiciones para la solicitud de créditos externos en diversos programas de Máster.

 

Formulario de inscripción 2017

 

Temas

 

1. Introducción

 

2. Diseño de materiales con propiedades específicas

Síntesis mediante técnicas bottom-up. Materiales moleculares y supramoleculares
B. Gómez-Lor

  1. Generalidades
    • Diseño de propiedades.
    • Relación estructura-propiedad.
    • Optimización de propiedades.
  1. Materiales Moleculares orgánicos.
  2. Materiales supramoleculares basados en estructuras metaloorgánicas (MOFs).
  3. Funcionalización “single site” de materiales.


Preparación de materiales híbridos y biohíbridos
P. Aranda

Se introducirán a los alumnos diversos materiales denominados híbridos organo-inorgánicos y bio-híbridos, entre los que se incluyen los denominados materiales nanocompuestos (nanocomposites), sistematizando aspectos relacionados con los procedimientos más habituales de su preparación y caracterización, comentando también la utilidad de este tipo de materiales funcionales enfocadas a las aplicaciones más relevantes.


Materiales biomiméticos
M. Ferrer

La naturaleza nos proporciona una gran variedad de materiales con diferentes funciones que pueden servir como fuente de inspiración al abordar el diseño de nuevos materiales. El traslado de las ideas recogidas en dicha observación hacia la preparación del nuevo material requiere un análisis detallado de la relación estructura-función observada en el mundo natural. Son muchas las oportunidades para aprender del medio natural y en este tema se revisaran diferentes aproximaciones que han conducido a la introducción de materiales con propiedades optimizadas.

 

Materiales para Electrónica Flexible

M.L. Calzada /I. Bretos

La electrónica flexible se engloba dentro de la macroelectrónica o electrónica de grandes áreas, un campo emergente que en los últimos años ha experimentando destacados avances impulsados por la demanda de nuevos dispositivos flexibles en nuestra sociedad (pantallas de visualización, smartphones, ropa tecnológica). Estos productos se basan en la integración de películas delgadas de diversos materiales funcionales — orgánicos e inorgánicos — sobre substratos baratos, ligeros y flexibles como el plástico, el papel o el textil. Sin embargo, el procesado de materiales inorgánicos de altas prestaciones (p.ej. óxidos cristalinos) requiere tratamientos térmicos a temperaturas muy por encima de la estabilidad térmica de los substratos anteriormente mencionados limitando el progreso de esta tecnología. Los métodos químicos en disolución de baja temperatura nacen con el fin de solventar esta incompatibilidad térmica, dando acceso a la fabricación de una nueva generación de sistemas electrónicos flexibles con prestaciones muy superiores a las de los actuales y con aplicaciones potenciales en salud y bienestar (piel electrónica, robótica), energía (celdas solares) y tecnologías de la información (dispositivos inteligentes).


3. Materiales para la salud

Nanopartículas para diagnóstico y tratamiento médicos
S. Veintemillas

Los últimos estudios en nanopartículas y sus aplicaciones biomédicas nos revelan un futuro muy prometedor para estos materiales tanto en la detección de tumores y metástasis, como en el tratamiento de los mismos mediante administración de fármacos o tratamientos de hipertermia. Puntos importantes de este curso son los métodos de síntesis de nanopartículas (metales nobles y materiales magnéticos) fiables y reproducibles, con control del tamaño de partícula y su distribución, la modificación superficial de las nanopartículas para obtener suspensiones coloidales biocompatibles y el estudio de sus propiedades magnéticas, su especificidad y biodistribución una vez inyectadas “in vivo”.

 

Materiales avanzados para su uso en implantes
J.F. Bartolomé

En este curso se analizarán los diferentes tipos de biomateriales que se utilizan en la fabricación de prótesis e implantes para la sustitución de tejidos duros (dentales y óseos). El estudio de las características estructurales y la relación bioquímica de estos materiales con los tejidos permite definir sus ventajas y principales limitaciones. Se evaluarán posibles líneas de evolución basándose en el estudio de la microarquitectura y propiedades de los materiales naturales que se pretende reemplazar. Se utilizará como principal herramienta el diseño microestructural para optimizar de forma inteligente las propiedades de una nueva familia de biomateriales que puedan satisfacer demandas más complejas y puedan ser compatibles con las expectativas reales del funcionamiento clínico. Finalmente se describirán los implantes y prótesis más importantes, los aspectos relativos a los ensayos "in vivo" y protocolos de implantación. 

 

4. Materiales para conversión y almacenamiento de energía

Baterías Recargables de Ión-Litio
J.M. Amarilla

Las baterías de ion-litio (baterías LIB) son la tecnología más avanzada en baterías recargables. Éstas monopolizan el mercado de la electrónica portátil y son la fuente de energía elegida para impulsar los vehículos eléctricos e híbridos. En la clase se presentan unos conceptos básicos sobre baterías recargables, se explica cómo funciona una batería LIB y cuáles son sus principales ventajas. También, se enumerarán las características más importantes que deben tener los materiales de los electrodos y el electrolito y se presentarán los compuestos más utilizados en las actuales baterías LIB comerciales. Finalmente, se describirán las principales líneas de evolución que se están siguiendo para el desarrollo de las baterías LIB.

 

Súper-condensadores
J.M. Rojo

Los supercondensadores son dispositivos que sirven para almacenar energía eléctrica. Comenzaremos el tema mostrando cómo están constituídos y cuáles son los mecanismos que actúan en el almacenamiento de la energía. Se mostrará la respuesta eléctrica en medidas de corriente DC y AC, y se determinará la capacidad y la resistencia. Se verán diferentes tipos de materiales de electrodo y su contribución  a la capacidad del súper-condensador. También se verán algunas maneras de procesar los electrodos. Se dará una visión general sobre los electrolitos y cómo éstos limitan el voltaje del dispositivo. Por último, se mostrarán algunos dispositivos comerciales y se verán algunos ejemplos prácticos de supercondensadores funcionando junto con una fuente de energía. 

 

Almacenamiento de hidrógeno 
Jorge Hernández Velasco 
Introducción al interés científico de la investigación en materiales con alta absorción de H2 por razones de índole energética y medioambiental. 
Tipos de materiales y mecanismos de adsorción (fisisorción, quimisorción, "spillover"). Aleaciones intermetálicas, materiales porosos, carbonáceos, zeolitas, "composites" C-Met, hidruros químicos y complejos, "metal-organic-frameworks" (MOFs). 
Técnicas de caracterización estructural en materiales absorbentes de hidrógeno: Comparación entre métodos de difracción (electrones, rayos-X, neutrones). Especial énfasis en técnicas de dispersión de neutrones por su inherente ventaja en la localización de la posición estructural y el comportamiento dinámico del H (y/o su isótopo deuterio D) en el material. 

Pilas de Combustible: conversión de energía limpia y eficiente 
José A. Alonso 

Las pilas de combustible resultan sumamente interesantes como sistemas de conversión de energía debido a su elevada eficiencia, limpieza del proceso de conversión y versatilidad. Se describirán los diversos tipos de pilas de combustible que se encuentran en el mercado, centrándonos en las de óxido sólido (SOFC) que se caracterizan por estar constituidas por óxidos cerámicos mixtos, que requieren de altas temperaturas de operación.  Por último, se detallarán nuevos materiales de electrodo para celdas SOFC que permiten disminuir su temperatura de operación a valores más adecuados para su comercialización sin incurrir por esto en una pérdida del rendimiento de la celda.

 

5. Recubrimientos

Recubrimientos funcionales
J.M. Albella 
La funcionalización superficial de materiales, bien sea mediante tratamientos con partículas energéticas (iones, fotones, especies químicas, etc) o mediante el depósito de capas delgadas, constituye actualmente uno de los métodos, ampliamente utilizados, para la modificación de las propiedades de superficie de los materiales.  En esta conferencia se da una revisión general de los distintos métodos de funcionalización, haciendo énfasis en las técnicas de  deposición de capas delgadas nanoestructuradas mediante técnicas de vacío (PVD y CVD). Se presenta también distintos ejemplos de aplicación en la tecnología más actual, tales como la protección metalúrgica, tribología, captación de energía solar, superficies auto-limpiables y biocidas, sensores magneto-plasmónicos, etc.

 

Últimas tendencias en recubrimientos tecnológicos
I. Montero

  • Recubrimientos aeroespaciales y espaciales: multipactor, solares selectivos, protectores del oxigeno atómico y de las descargas eléctricas, para las áreas tribológicas, para el control térmico, duros para aviones.
  • Recubrimientos biomiméticos. Deposición conjunta de apatitas con polímeros bioactivos. Uso de los recubrimientos como sistema de liberación fármacos Combinación de los recubrimientos con ingeniería de tejidos.
  • Recubrimientos Inteligentes: autoreparación de fisuras en recubrimientos polimericos, superficies autolimpiantes, monitores externos e internos, superficies activas y medicina regenerativa.
  • Otros recubrimientos: ópticos y optoelectrónicos, en arquitectura y de metamateriales.

 

6. Materiales ópticos. La frontera fotónica

En este bloque temático se describirá una serie de fenómenos no intuitivos que aparecen cuando la luz interacciona con nuevos materiales (sistemas) que han aparecido en los últimos años. Dentro del curso fronteras en Ciencia de Materiales pretendemos introducir los fundamentos ópticos de la nanofotónica y nanoplasmónica, así como de los láseres de estado sólido cristalinos y presentar los principales fenómenos físicos/químicos subyacentes que tienen lugar y sus aplicaciones en cada caso.

 

Cada una de las tres clases se abordará con una breve introducción presentando los fundamentos básicos, preparación y caracterización de los materiales, aplicaciones y desarrollos actuales de la investigación y sus posibles líneas de avance. Se considerarán problemas abiertos así como aplicaciones presentes y futuras, planteando cuáles son las limitaciones actuales para resolverlos.

 

Esquema del contenido

 

1. La luz y los materiales
1.a. Scattering de luz por partículas metálicas. Plasmónica
C. Pecharromán

    • Introducción
    • Resonancia de Plasmón. Amplificación del campo eléctrico.
    • Sistemas reales. Coloides de oro, plata, nanocomposites de oro, plata, cobre. Otros metales., láminas, agujeros...
    • Aplicaciones: Detección, SERS, Propagación por láminas, aplicaciones no lineales, color, bioquímica, marcadores...

1.b. Materiales biisotrópicos o bianisotrópicos
C. Pecharromán

    • ¿Qué pasa cuando n y m son diferentes de 1?.
    • Materiales invisibles, de propagación transversal y zurdos.
    • Metamateriales
    • Cloacking
    • Dispositivos: Aplicaciones en el rango de las MW y THz’s

2. Cristales fotónicos
A. Blanco

    • Fundamentos.
    • Técnicas de fabricación (1D, 2D, 3D).
    • Técnicas de caracterización.
    • Cristales fotónicos coloidales.
    • Aplicaciones.

En cada clase se emplearán 20 minutos de prácticas en laboratorio sumando un total de 1 hora.

 

7. Materiales eléctricos y magnéticos. Acoplamientos

Dieléctricos y ferroeléctricos en microtecnologías. Nanociencia y nanotecnología de ferroeléctricos

M. Algueró

Se hará una breve revisión de la física de dieléctricos, introduciendo los conceptos de piezoelectricidad y ferroelectricidad. Se describirán dispositivos básicos en tecnologías cerámicas, como condensadores y dispositivos de transducción electromecánica, y se prestará atención fundamentalmente al desarrollo de las aplicaciones actuales que conllevan una miniaturización, incidiendo tanto en los cambios físicos como en el diseño y potencial de los dispositivos en la micro- y nano-escala. Se considerarán dieléctricos integrados (transistores de efecto de campo semiconductor-óxido-metal, memorias dinámicas de acceso aleatorio y memorias no volátiles ferroeléctricas) y piezoeléctricos integrados (sistemas microelectromecánicos), procesos de nanoestructuración en tecnologías cerámicas e integradas, y efectos de tamaño y funcionalidad en los límites últimos de la nanoescala.

 

Nanoestructuras magnéticas. Efectos de tamaño y forma. Grabación magnética.
O. Fesenko
La clase está estructurada en dos partes. La primera se dedicará a nanoestructuras magnéticas, describiendo los efectos de la reducción de dimensionalidad en las propiedades magnéticas: efectos de tamaño y forma en nanoestructuras, interacciones fundamentales, estados de imanación, etc. Se describirán brevemente los principios fundamentales de micromagnetismo que permiten resolver las configuraciones magnéticas y su evolución temporal.

 

En la segunda parte se hablará de uno de los temas de mayor repercusión tecnológica en el magnetismo actual, la grabación magnética. Se hará una introducción a los diferentes medios de grabación y al problema fundamental del límite superparamagnético. Se describirán también nuevas propuestas para la grabación magnética del futuro, incluyendo la interacción entre imanación y corrientes polarizadas de espín, y la descripción de osciladores espín-torque.

 

Acoplamiento magnetoeléctrico y materiales multiferroicos.
S. Gallego/M. Algueró
Definiremos qué es el efecto magnetoeléctrico y los mecanismos de acoplamiento en los que se basa. Introduciremos los materiales multiferroicos magnetoeléctricos, en los que se espera maximizar este efecto. En primer lugar, describiremos los materiales multiferroicos mono-fase, donde un solo material conjuga propiedades ferroeléctricas y magnéticas. Haremos una breve descripción de los materiales más relevantes y su clasificación en función del origen del acoplamiento magnetoeléctrico.


Entre los inconvenientes de los materiales multiferroicos mono-fase están las bajas temperaturas críticas y la debilidad del acoplamiento magnetoeléctrico. Presentaremos cuáles son las líneas de investigación activas para solucionar estos problemas, prestando especial atención a la alternativa con mayor repercusión en el diseño actual de dispositivos: la fabricación de materiales multiferroicos compuestos, que combinan dos materiales con distinto orden ferroico. Mostraremos los distintos tipos de estructuras en las que se basan, desde composites cerámicos hasta heteroestructuras epitaxiales, y sus mecanismos de acoplamiento. Indicaremos posibles aplicaciones y los retos que existen para su desarrollo.


Destacaremos el papel de los efectos de baja dimensionalidad, donde tanto la existencia de fronteras (superficies, intercaras), como el confinamiento dan lugar a nuevas propiedades y fenómenos físicos que constituyen una de las ramas más activas de investigación en el campo.

Espintrónica
S. Gallego/F. Mompeán
La espintrónica es una tecnología emergente que pretende combinar las ventajas de la electrónica tradicional de semiconductores con las de los dispositivos de grabación magnética, introduciendo importantes mejoras en las prestaciones y evitando el colapso predicho por la creciente miniaturización de los componentes electrónicos. Se trata además de un área singular, donde los avances tecnológicos van ligados al descubrimiento de nuevos fenómenos físicos.

 

En esta clase haremos un breve recorrido histórico sobre los orígenes y evolución de la espintrónica, desde la conducción dependiente de espín, a la magnetoresistencia y las uniones túnel magnéticas. Introduciremos algunos conceptos físicos esenciales y describiremos con detalle dispositivos representativos. Estableceremos las diferencias entre las distintas ramas de la espintrónica ligadas a diversos tipos de materiales (metales, semiconductores, óxidos,...), y mostraremos cómo la investigación en espintrónica ha dado lugar a la búsqueda de nuevos materiales de propiedades singulares (materiales magnéticos diluídos, half-metals, semiconductores magnéticos, etc.).

 

Finalmente, daremos una perspectiva general de las múltiples ramas de investigación hacia las que la espintrónica actual se diversifica, dependiendo tanto de las propiedades específicas de los materiales en los que se basa, como de los mecanismos utilizados para la manipulación de las corrientes de espín.

 

8. Nuevos retos en Ciencia de Materiales

Paradigmas en Teoría de Materiales: Sistemas de electrones fuertemente correlacionados
B. Valenzuela

El comportamiento colectivo de la materia puede dar lugar a propiedades emergentes sorprendentes inimaginables desde
sus elementos constituyentes. Ejemplos bien conocidos son el magnetismo y la superconductividad. El estudio de los
materiales de electrones fuertemente correlacionados es un área muy fértil donde encontrar estas fases y otras con incluso
propiedades físicas nuevas. En los materiales fuertemente correlacionados la interacción entre los electrones domina su
movimiento y no es claro a priori que puedan ser descritos con las teorías estándar de la materia condensada. Además en
materiales de baja dimensionalidad las fluctuaciones cuánticas deben ser tenidas en cuenta. Correlaciones y fluctuaciones
cuánticas dan lugar a que estos materiales presenten ricos diagramas de fases que incluyen fases tales como
superconductividad y magnetismo y también pueden incluir otras fases no convencionales. La competencia entre las
distintas fases también puede dar lugar a nuevos estados de la materia con parámetros de orden exóticos.


En la primera parte del curso veremos las teorías estándar tales como la teoría de bandas, la teoría del líquido de Fermi y la
teoría de transiciones de fase y en la segunda parte haremos un breve esbozo de los retos a los que se enfrenta la materia
condensada cuando las correlaciones y las fluctuaciones cuánticas son relevantes tales como la transición de Mott, la
superconductividad no convencional y las transiciones de fase cuánticas. Veremos también diagramas de fase de
superconductores de alta temperatura, orgánicos y óxidos como ejemplos representativos de electrones fuertemente
correlacionados.

 

Nanoelectrónica y computación cuántica. Sistemas bi-, uni- y cero-dimensionales
R. Aguado

Durante la última década, la progresiva miniaturización de los transistores nos ha llevado a plantearnos nuevos conceptos y sistemas de cara a proponer alternativas basadas en dispositivos de escalas nanométricas y con propiedades cuánticas. Este tipo de estudios se conocen bajo el nombre genérico de nanoelectrónica. En esta segunda parte, y después de una breve introducción a los conceptos básicos y propiedades de sistemas mesoscópicos y nanoelectrónica, repasaremos algunos de estos sistemas de gran interés en la actualidad. En particular, veremos los siguientes sistemas/conceptos:

  • Sistemas en dos dimensiones: el gas electrónico bidimensional. Grafeno (o cómo la electrónica basada en electrones relativistas podría sustituir al silicio).
  • Sistemas en una dimensión: Nanotubos de Carbono y nanohilos semiconductores. Optoelectrónica cuántica.
  • Sistemas en cero dimensiones: Puntos cuánticos como átomos artificales.
  • Computación cuántica en sistemas de estado sólido: Bits cuánticos de espín y circuitos cuánticos superconductores (óptica cuántica en un chip).

 

Acoplamiento espín-órbita y aislantes topológicos
M.C. Muñoz

  • Interacción espín-órbita. Definición, origen y posibles aplicaciones.
  • Scattering dependiente de espín. Efecto Hall anómalo y efecto espín-Hall.
  • Simetría de invariancia temporal. Aislantes topológicos.

 

Superconductividad. Superconductores de alta temperatura. Aplicaciones
L. Bascones

Hace más de un siglo que se descubrió la superconductividad y sin embargo sigue siendo un campo muy activo de investigación, lleno de incógnitas y posibilidades. Durante la clase repasaré brevemente cómo se descubrió y las propiedades más importantes de los superconductores (resistividad nula y reacción ante los campos magnéticos). Contaré las ideas básicas de la teoría BCS que en los años 50 explicó lo que le ocurre a los electrones cuando el material se vuelve superconductor. Veremos que algunos superconductores y en especial los de alta temperatura, descubiertos en la década de los ochenta, se comportan de forma anómala y no cumplen algunas de las predicciones de la teoría BCS. Finalmente conoceremos algunas de las aplicaciones de los superconductores  en nuestra vida cotidiana, desde los encefalogramas a los trenes que levitan.

Más info: www.icmm.csic.es/superconductividad

 

Nanoestructuras de carbono: del grafeno a las nanocintas
L. Chico
Las formas alotrópicas del carbono de baja dimensión, tales como el grafeno, los fullerenos, nanotubos de carbono y nanocintas de grafeno han despertado un enorme interés en los últimos años. Los fullerenos fueron sintetizados en la década de los 80, en la que comenzó una enorme actividad investigadora en este campo a partir de la síntesis del C60 en 1985, realizada por los equipos liderados por Robert Curl, Richard Smalley y Harold Kroto, galardonados con el premio Nobel de Química en 1996. En la década de los 90 el interés se fue desplazando de los fullerenos a los nanotubos de carbono, observados por Sumio Iijima en imágenes de microscopía de transmisión electrónica en 1991. 
Más recientemente, desde la obtención experimental del grafeno por Geim y Novoselov en 2004, receptores del premio Nobel de Física en 2010, el interés por esta forma bidimensional del carbono ha aumentado de forma vertiginosa. El grafeno tiene excelentes propiedades conductoras y una enorme resistencia mecánica, lo que hace que sea enormemente atractivo para aplicaciones. Además, los electrones en grafeno se comportan como partículas sin masa, lo que ha motivado el interés por el mismo desde el punto de vista básico.
A partir de las propiedades del grafeno, exploraremos las de otras formas cristalinas del carbono de baja dimensión, tales como los nanotubos de carbono y las nanocintas, con especial énfasis en las propiedades electrónicas.

 

 



       

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