UNITAT 8

DE L'EDAT DE PEDRA A LA

NANOTECNOLOGIA

8. De l'edat de pedra a la nanotecnologia

1. Els materials

2. Els materials més usats– Els metalls– Els polímers– Materials ceràmics– El paper

3. Nanotecnologia– Fonaments científics– Aplicacions– Nanotecnologia i societat

1. Els materials

Els materials són les substàncies de les quals están fetes les coses. Es poden classificar de moltes maneres: naturals, artificials, elaborats, semielaborats....

Classificació dels materials

• Després de la revolució industrial es va disparar el descobriment i l'ús de nous materials, degut a l'ús de les màquines que faciliten l'extracció i el processament i a les innovacions científiques i tecnològiques

• Els materials utilitzats per l'home han marcat d'una manera molt significativa les èpoques històriques, recordem:

– EDAT DE PEDRA: s'utilitzava per construccions, eines, armes...

– EDAT DE BRONZE (Cu+Sn): Dur i emmotllable

– EDAT DE FERRO: més localitzable que l'Sn.

L'obtenció de matèries primeres a millorat molt a partir del segle XIX, degut a l'ús de tècniques molt sofisticades:

• Anàlisis geoquímics dels sediments, sòls i aigües

• Detecció de radioactivitat

• Ones sísmiques produïdes per explosions controlades

• Variacions locals del magnetisme

• Diferències de conductivitat elèctrica

• Senyals elèctriques d'alta freqüència

• Prospecció aèria amb satèl·lits.

2. Els materials més usats

Metalls (i aliatges)Formen una estructura cristal·lina i els electrons formen un núvol de gran mobilitat que explica les seves propietats: dúctils, mal·leables i conductors de la calor i el corrent elèctric

Dos tipus: ferrosos i no ferrosos

METALLSPOLÍMERSCERÀMIQUESPAPER

Els metalls ferrososFERRO FOS, ACER, ACER INOXIDABLE.

Ferro fos és el nom d'un conjunt d'aliatges que contenen ferro i petites quantitats de carboni i silici. S'usen per màquines, ferrocarril, brides, tubs...Acer és l'aliatge de ferro i carboni. Baix cost i gran resistència i durada.Acer inoxidable conté a més Cr, que l'ajuda a resistir la corrosió.

Tots són molt resistents a la tracció i durs.

La corrosió és el principal problema dels metalls que contenen Fe, l'estat natural del qual és Fe2+. El 20% del Fe que es produeix és per substituir les pèrdues per corrosió.

Els metalls no ferrosos

En general tenen menys resistència a la tracció i menys duresa, encara que

són més resistents a la corrosió.

- Bronze: campanes

- Llautó . bijuteria

- Alumini: aeronàutica

- Coure: aparellatge elèctric

- Magnesi: aliatges

- Níquel: recobriments

- Plom: protector de radiacions

- Zinc: protecció d'acer

- Silici: microxips

- Titani: protesis

- Tantal: mòvils

Els polímers

Els polímers són substàncies orgàniques formades bàsicament per carboni i hidrogen, s'obtenen per la unió de molts monòmers (polimerització)

NATURALS: cotó, seda, llana, cautxú, proteïnes, àcids nuclèics...

SINTÊTICS: niló,poliester, PVC, plàstics, cautxús...La materia prima per fabricar-los és el petroli, carbó.

Aplicacions dels polímersAPLICACIONS MÈDIQUES: no produeixen rebuig en el cos humà. Pròtesis d'articulacions, empastaments, pell artificial, lents de contacte...

APLICACIONS INDUSTRIALS: connectors, interruptors, carcasses, canonades, portes, finestres, ampolles, electrodomèstics, eines, joguines, vidres de seguretat, adhesius, mànegues, corretges, pneumàtics, articles impermeables, calçat, tèxtil, materials especials: kevlar, neopré, licra, goretex...

El gran problema dels plàstics és que no són biodegradables i contribueixen a la contaminació mediambiental.

Materials ceràmicsEls materials ceràmics són compostos d’elementsmetàl·lics i no metàl·lics enllaçats de forma iònica i/ocovalent. Es fabriquen mitjançant tractament tèrmic. A partir d'argiles, feldespats, quars... •Són bons aïllants elèctrics i tèrmics.•Suporten temperatures de fusió altes.•Tenen bona estabilitat química. Resistència a la corrosió•Són durs i fràgils.APLICACIONSMedicina :ossos i dents, Energia nuclear: cel·les de combustible, Construcció, Indústria aerospacial...El vidre s'obté a 1500ºC, per fusió de sorra, carbonat sòdic i calcària, molt bon aïllant elèctric, transparent, inert químicament.

El paperEl paper es va descobrir a la Xina, el segle II dC.

Amb la invenció de la impremta l la revolució industrial, la seva fabricació va passar de ser un procés artesanal a ser un procés industrial.

El seu futur està condicionat per la reducció de llibres, revistes i diaris, encara que degut a la generalització del ordinador domèstic i les impressores el seu consum ha augmentat considerablement. L'esperança per poder-ne reduir el consum és la constant evolució i millora en les pantalles electròniques (llibre digital,...)

En altres àmbits, el consum de paper tendeix a augmentar: mocadors, tovallons, paper higiènic...La matèria primera per la seva fabricació és la cel·lulosa que s'obté dels arbres. La tala indiscriminada dels arbres porta a la desforestació que té com a conseqüència la inestabilitat climàtica. Cal reciclar i utilitzar paper reciclat.

Què és? Bottom up Eines nanotecnològiques Aplicacions Nanotecnologia i societat

3. La nanotecnologia

Richard Feiynman és considerat el precursor de la nanotecnologia,pel seu discurs “There's plenty of room at the bottom” l'any 1959.És la ciència que pot realitzar-se amb objectes de tamany mill-millonèssim de metre. (10 -9)

Què és?

El repte de la tecnologia actual és oferir més informació en menys espai:En 50 anys el volum dels equips de música s'ha reduït un milió de vegades:

Any 1950: disc de vinil (1 m3), Cassette magnètic (1 dm3), walkman (0,1 dm3), MP4 (1 cm3) any2000

Aquesta constant miniaturització té un límit degut a:

- augment de la relació superfície/volum- lleis macroscòpiques són diferents a les lleis atòmiques (física quàntica)- dificultat de manipulació

PER AIXÒ BOTTOM UP EN LLOC DE TOP DOWN.

Per què nanotecnologia?

Per “fabricar” un altre Frankestein per mètodes nanotecnològics,

75 12 cèl·lules 2,5 . 1027 àtoms

Quan de temps faria falta?

Bottom-up

2,5.1027 .1h

3600 s.1dia24h

.1any365dies

=1,96. 1019 anys Edat de l ' univers : 13700 milions d ' anys=13,7 .1010 anys

7,96 1019anys

1,37. 1010 anys (edat de l ' univers)≃6000milionsde vegades l ' edat de l ' univers

Moltes peces per unir i molt temps, la nanotecnologia intenta aconseguir reduir aquests temps.

Les eines nanotecnològiques

STM: Scanning Tunneling Microscopy, microscopi d'efecte túnel.1986.AFM: Atomic Force Microscope. 1989Altres: MFM (micoscopi de forces magnètiques), SNOM (de camp proper)

Les principals eines són els diferents tipus de microscopi, els sincrotrons...

Les eines nanotecnològiques

Les eines nanotecnològiques Aquests microscopis tan potents no tan sols ens permeten veure, també , també permeten manipular la matèria.

Aplicacions

Aplicacions

Segons OCDE, l'any 2015 un 15% de productes manufacturats incorporaran nanotecnologia.

Les seves aplicacions no paren de créixer: aplicacions electrostàtiques de pintura, apantallaments antiestàtics de les ales dels avions, conductors transparents per pantalles flexibles, sensors per medicina, energia fotovoltaica, cremes de protecció solar i ulleres, zeolites, disseny de molècules a la carta...

Aplicacions

FULLERENS: són molècules artificials formades per unió d'àtoms de carboni, C

60. S'han sintetitzat 1000 productes nous

basats en els fullerens i més de 100 patents internacionals. Són components molt importants en bioelectrònica molecular, en biomedicina es podrien utilitzar com envoltoris per transportar molècules a diferents lloc de l'organisme...

Aplicacions NANOTUBS DE CARBONI: es formen quan una làmina de

grafit s'enrolla sobre ella mateixa produint estructures cilíndriques tancades. Es fa a altes pressions i temperatures i amb descàrregues elèctriques i catalitzadors metàl·lics. Es poden aconseguir diferents tiopus de nanotuibs amb diferents propietats.

Són 100 cops més resistents que l'acer i deu cops menys densos.

Són molt bons conductors de la calor

Poden ser aïllants, semiconductors, conductors i superconductors.

Són químicament inerts i biològicament compatibles

Angle de visió millor que els cristalls líquids

Aplicacions: nanobiotecnologia i nanomedicina - Biosensors: petits biosensors per medir la concentració real de

diferents substàncies a la sang,

- Biomaterials: farmacs contra cèl·lules cancerígenes que actuïn específicament sobre elles en llocs concrets, estalviant els problemes de dispersió, danys secundaris...

- Bioxips: nanorobots per guarir malalties de manera intel·ligent-

- Síntesi de molècules complexes: nanofibres que repel·len els bacteris i virus.

Aplicacions

- Nano-flakes, poden convertir en llum el 30% de l’energia lumínica que rep.

- Pintures amb nanopartícules que generen electricitat a partir de l’energia solar.

- Teixits intel·ligents: canvi de color, canvis en transpirabilitat, més resistents, que es netegen sols, antibacterians, que absorbeixen la radiació solar...

Nanotecnologia i societat

Nanotecnologia i societat

La convergència en aquest principi de segle de diferents tecnologies com la nanotecnologia, la biotecnologia, les tecnologies de l’informació i telecomunicacions i les ciencies cognitives (NBIC) implicarà importants canvis en la societat del segle XXI

Nanotecnologia i societat

- La toxicitat de les nanopartícules encara no esta ben estudiada, no es pot asegurar que sigui la mateixa que el mateix material a escala “normal.

- S’ha de vetllar per què les nanotecnologies siguin respectuoses amb el medi ambient.

- La nano-eco-toxicologia cuida estudia aquestes qüestions: