INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES

ÍNDICE

PRÓLOGO

PARTE 1. ASPECTOS BÁSICOS

Capítulo 1.- ESTRUCTURA DE LA MATERIA (J. E. Iglesias)

1.1 Discontinuidad de la materia y fundamentos de la teoría atómica. Consideraciones iniciales. Pesos atómicos y moleculares

1.2 Partículas elementales

1.3 Estructura del átomo. Número atómico. Modelos atómicos iniciales. El modelo de Bohr. El modelo cuántico del hidrógeno. Modelo cuántico del átomo con Z>1

1.4 La Tabla Periódica. Consideraciones históricas. La Tabla Periódica actual. Tablas: Potenciales de ionización. Configuración electrónica de los elementos. Tabla Periódica. Constantes físicas

Capítulo 2.- ENLACE QUÍMICO (M. Gregorkiewitz y J. E. Iglesias)

2.1 Nociones básicas. Naturaleza del enlace y sus consecuencias. Enlace y estructura molecular cristalina. Estados de agregación y enlaces "no químicos". Enlace y reactividad química.

2.2 Enlace iónico. Formación de un par iónico aislado. Formación de un cristal iónico. Radios iónicos. Poliedros y números de coordinación

2.3 Enlace covalente. Orbitales atómicos. Orbitales moleculares. Hibridación. Dobles enlaces

2.4 Enlaces intermedios covalente-iónico. Electronegatividad

2.5 Enlaces deslocalizados

2.6 Enlace metálico

Capítulo 3.- TIPOS DE MATERIALES Y SU ESTRUCTURA (M. Gregorkiewitz)

3.1 Metales.

3.2 Compuestos orgánicos y polímeros (enlace covalente). Hi drocarburos. Derivados de los hidrocarburos. Estructura-isometría-conformación.

3.3 Sólidos inorgánicos (enlace iónico - covalente). Elementos. Sólidos puramente iónicos (sales). Sólidos con dos tipos de enlace (iónico + covalente). Cerámicas. Vidrios

3.4 Materiales compuestos o "composites

3.5 Superficies

Capítulo 4.- FUNDAMENTOS TERMODINÁMICOS (E. Vila)

4.1 Teoría cinética de los gases. Conceptos básicos. Leyes de los gases. Ecuación de estado de los gases ideales. Teoría cinético-molecular de los gases

4.2 Conceptos termodinámicos: sistemas, funciones de estado, estados de equilibrio

4.3 Primer principio de la termodinámica. Energía interna y Entalpía. Ley de Hess. Entalpías de formación, reacción y disociación

4.4 Segundo principio de la Termodinámica. Entropía

4.5 Energía libre. Procesos espontáneos

Capítulo 5.- EQUILIBRIO QUÍMICO Y REACCIONES (E. Vila y E. Ruiz Hitzky)

5.1 Cinética. Velocidad de reacción. Mecanismos de reacción: Energía de activación. Factores que influyen en la velocidad de reacción. Catalizadores

5.2 Equilibrio químico. Velocidad de reacción y equilibrio quí mico. Reacciones reversibles. Constante de equilibrio. Ley de acción de masas. Ley de acción de masas en equilibrios heterogéneos. Factores que afectan el desplazamiento del equilibrio. Ley de Le Chatelier

5.3 Reacciones ácido-base. Teoría de Arrhenius. Teoría de Brönsted. Teoría de Lewis. Fuerza de ácidos y de bases. Constante de ionización de ácidos y de bases. Grado de disociación (a). Autoionización del agua: constante de ionización (kw). Definición de pH. Reacciones de neutralización. 8.1 F Reacciones de hidrólisis

5.4 Reacciones de precipitación. Disolución de compuestos iónicos en agua. Equilibrio de solubilidad de sales poco solubles: producto de solubilidad

5.5 Reacciones de óxido-reducción (Redox). Potencial normal

5.6 Reacciones químicas en estado sólido. Reacciones sólido- sólido. Reacciones de descomposición de sólidos

5.7 Ejemplos de reacciones químicas de interés en ciencia de materiales. Síntesis de óxidos mixtos superconductores, Síntesis de cerámicas especiales tipo Si3N4- Síntesis de materiales sólidos por métodos sol-gel. Métodos de coprecipitación. Reacciones de intercalación. Pilas de combustible

Capítulo 6. - FENÓMENOS DE SUPERFICIE (E. Ruiz Hitzky)

6.1 Química de interfases

6.2 Adsorción de gases por materiales sólidos: Adsorción física y quimisorción. Energías implicadas. Isotermas de adsorción. Ecuaciones de las isotermas. Superficie específica. Sólidos porosos. Ecuaciones. Técnicas experimentales para el estudio de la adsorción de gases en sólidos

6.3 Catálisis heterogénea. Centros activos. Selectividad de procesos catalíticos. Catalizadores soportados. Catalizadores de porosidad controlada. Importancia económica e industrial de los catalizadores. Procesos de Química Fina

Capítulo 7.- PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS SÓLIDOS (C. Zaldo)

7.1 Imperfecciones en sólidos: Defectos puntuales. Defectos lineales. Defectos extensos

7.2 Deformación. Elasticidad versus plasticidad. Carga y deformación. Contribuciones microscópicas a la resistencia de los sólidos

7.3 Fluencia, fatiga y fractura

7.4 Microdureza

7.5 Propiedades mecánicas de algunos materiales: Monocristales iónicos, NaCl. Cerámicas iónicas. Metales. El acero. Polímeros. Composites

Capítulo 8.- PROPIEDADES ELECTRICAS DE LOS MATERIALES (B. Jiménez y J. M. Martínez Duart)

8.1 Fenómenos de polarización dieléctrica. Campo eléctrico en el interior de un dielectrico: Inducción eléctrica. Campo total. Mecanismos de polarización. Relación entre polarizacion y constante dieléctrica

8.2 Constante Dieléctrica Compleja. Fenómenos de relajación y resonancia

8.3 Materiales ferroeléctricos, piroeléctricos y piezoeléctricos. Aplicaciones

8.4 Estudio de las propiedades conductoras de los materiales. Bandas de energía en sólidos. Conducción eléctrica en sólidos

8.5 Semiconductores intrínsecos. Semiconductores extrínsecos. Localización del nivel de Fermi en semiconductores

8.6 Diodos semiconductores y transistores

8.7 Materiales superconductores. Aplicaciones

Capítulo 9.- PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LOS MATERIALES (M. Vázquez)

9.1 Conceptos fundamentales. Campo magnético en el vacío.

9.2 Campo magnético en la materia. Inducción electromagnética y energía magnética. Magnetismo de la materia. Origen microscópico del magnetismo. Magnetismo lineal. Diamagnetismo. Paramagnetismo. Efectos cooperativos en magnetismo: Ferromagnetismo. Interacción de canje. Modelo de Bandas. Antiferromagnetismo y ferrimagnetismo

9.3 Magnetismo técnico. Anisotropías magnéticas. Estructura de dominios y paredes magnéticas. Procesos de imanación

9.4 Materiales magnéticos tecnológicos. Materiales magnéticos blandos. Materiales magnéticos duros

Capítulo 10.- PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS MATERIALES (L. Arizmendi y F. Jaque)

10.1 Naturaleza de la radiación electromagnética. Energía, frecuencia, longitud de onda e intensidad de una onda electromagnética. . El espectro electromagnético. Luz monocromática, luz polarizada y luz natural

10.2 Interacción de la luz con la materia: Reflexión, absorción, luminiscencia y dispersión o esparcimiento

10.3 Instrumentos ópticos para la espectroscopia de materiales. Fuentes de luz. Detectores de radiación. Análisis y descomposición de la luz. Espectroscopia de absorción. Espectrometría de emisión (luminiscencia). Espectroscopia de vidas medias. Reflectividad

10.4 Fundamentos del láser. Los comienzos del láser, descripción y fundamentos. Características de la emisión láser. Rango de longitudes de onda y de potencias. Tipos de láseres (iónicos de estado sólido, de gas, de semiconductores, sintonizables).

10.5 Aplicaciones del láser (procesado de materiales, comunicaciones, medicina, etc.)

PARTE II. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN

Capítulo 11.- EQUIPOS BÁSICOS PARA EL ESTUDIO DE MATERIALES (J. L. de Segovia, B. Jiménez, L. Pardo, J. González y C. Zaldo)

11.1 Sistemas de vacío. Magnitudes fundamentales de la teoría cinética de los gases. Medida del vacío. Producción del vacío. Sistemas de vacío: generalidades y construcción. Bombeo del sistema. Detección de fugas

11.2 Producción y medida de bajas temperaturas. Producción de bajas temperaturas. Enfriamiento de gases. Medida de bajas temperaturas. Termometría. Líquidos criogénicos

11.3 Medida de las propiedades mecánicas y termomecánicas. Ensayos mecánicos. Ensayos termomecánicos

11.4 Medidas dieléctricas. Principios de medida de la permisividad dieléctrica. Permitividad compleja. Impedancia. Métodos de medida

11.5 Medidas magnéticas. Introducción: Los fenómenos físicos que subyacen en la medida del campo magnético y las propiedades magnéticas de los materiales. Dispositivos de producción del campo magnético. Medida del campo magnético. Medidas de la imanación y la susceptibilidad

11.6 Medidas ópticas. Coeficientes de transmisión y absorción óptica. Índices de refracción

Capítulo 12.- PREPARACIÓN DE CRISTALES Y PELÍCULAS DELGADAS (E. Dieguez y J. M. Albella)

12.1 Crecimiento de monocristales a baja temperatura. A partir de solución acuosa. En crecimiento a partir de gel

12.2 Crecimiento de monocristales a partir del vapor. Transporte químico en fase vapor. Transporte físico en fase vapor

12.3 Crecimiento de monocristales a partir del fundido: Sin utilización de crisol, con utilización de crisol, con desplazamiento de crisol, sin desplazamiento de crisol

12.4 Métodos físicos de preparación de películas delgadas. Evaporación en vacío. Pulverización catódica. Haces de iones. Deposición por haces moleculares (MBE)

12.5 Métodos químicos de preparación de Películas delgadas. Deposición química en fase vapor (CVD). Oxidación térmica. Métodos electroquímicos

Capítulo 13.- TÉCNICAS DE RAYOS X (E. Vila)

13.1 El estado cristalino. Concepto de cristal. Redes de traslación. Celdilla unidad. Parámetros cristalográficos. Tipos de Celdillas. Redes de Bravais. Planos reticulares. Índices de Miller. Espaciados. Algunos conceptos importantes en cristalografía

13.2 Técnicas de Rayos X. Situación de las técnicas de rayos X dentro de los métodos físicos. Producción de rayos X. Tubos de rayos X. Origen del espectro característico de rayos X

13.3 Fenómenos de interacción de los rayos X con la materia. Absorción de rayos X. Técnicas

13.4 Efecto fotoeléctrico. Técnicas

13.5 Dispersión ("scattering") de los rayos X. Técnicas

Capítulo 14.- MICROSCOPIA ÓPTICA, ELECTRÓNICA Y POR EFECTO TÚNEL (P. Herrero y A. Baró)

14.1 Métodos para la formación de imágenes

14.2 Lentes y sistemas ópticos

14.3 Microscopio óptico

14.4 Comparación entre microscopios ópticos y microscopios electrónicos

14.5 Producción de un haz de electrones

14.6 Microscopio electrónico de transmisión

14.7 Microscopio de barrido

14.8 Microanálisis en microscopio electrónica

14.9 Aplicaciones de la microscopio electrónica

14.10 Microscopia por efecto túnel

14.11 Microscopio de fuerzas

Capítulo 15.- ABSORCIÓN Y EMISIÓN ATÓMICA. CROMATOGRAFÍA. ANÁLISIS TÉRMICO (P. Millán, A. Aznar, L. Cuadra, E. Ruiz-Hitzky, R. Rojas)

15.1 Absorción y Emisión atómica. Espectros de emisión. Fotometría de llama. Espectrofotometría de absorción atómica. Instrumentación. Fuentes. Función y condiciones de la llama. Quemadores. Fenómenos que tienen lugar en la llama. Ruido de fondo. Interferencias. Espectroscopia de emisión por plasma. Características fundamentales del análisis por espectroscopia de emisión ICP

15.2 Cromatografía. Conceptos básicos. Tipos de cromatografía. Parámetros básicos de cromatografía. Técnicas cromatográficas no instrumentales. Técnicas instrumentales en cromatografía. Aplicaciones de la cromatografía a la Ciencia y Tecnología de Materiales. Aplicaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales

15.3 Análisis Térmico: Aspectos generales. Aplicaciones. Termo-gravimetría. Instrumentación y técnicas. Interpretación de las curvas termogravimétricas. Análisis Térmico Diferencial/Calorimetría diferencial de barrido. Naturaleza e instrumentación. Instrumentación DTA/DSC. Procedimientos de calibrado en DSC/DTA. Aspectos prácticos

Capítulo 16.- ESPECTROSCOPIA IR. VISIBLE Y U.V. ESPECTROSCOPIA RAMAN. RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR. (C. J. Serna, F. Agulló y J. Sanz)

16.1 Espectroscopia IR, Visible y UV. Interacción radiación-materia. Naturaleza de los sólidos. Espectros de absorción infrarrojo. Espectros de absorción en el visible y ultravioleta. Fluorescencia y fosforescencia. Espectrofotómetro infrarrojo. Espectrofotómetro U.V. y visible. Aplicaciones

16.2 Espectroscopia Raman. Efecto Raman. Aplicaciones. Técnicas experimentales

16.3 Resonancia Magnética Nuclear. Principios básicos de R.M.N. Detección experimental del fenómeno R.M.N. (técnica de impulsos, adquisición de la señal R.M.N.). Interacción núcleo-entorno estructural. Métodos de alta resolución. Aplicaciones de la técnica R.M.N. (análisis estructural, síntesis de materiales, estudios de la superficie; conclusiones)

Capítulo 17.- TÉCNICAS DE ANÁLISIS DE SUPERFICIES Y PELÍCULAS DELGADAS (J. M. Sanz)

17.1 Principios básicos

17.2 Espectroscopias de electrones, fotoelectrones (XPS, ESCA), electrones Auger (AES)

17.3 Técnicas de análisis con haces de iones. Dispersión de iones de baja energía (ISS). Retrodispersión Rutherford de iones (RBS). Espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS)

17.4 Análisis de películas delgadas

17.5 Comparación de las diferentes técnicas