TEMA PARA LA MATERIA DE QUIMICA BASICA CON LABORATORIO...INSTITUTO TECNOLOGICO DE SONORA...t&t

1. Materiales Inorgánicos:
de la Prehistoria al siglo XXI
Emilio Morán
Departamento de Química Inorgánica I
Facultad de Ciencias Químicas
Universidad Complutense de Madrid
Ciclo de conferencias “Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad”
CSIC
27 de abril de 2009
Esquema de la charla
• Material: algunas definiciones
• Historia: las “eras” de la Humanidad
• Tipos de materiales: clasificaciones.
• Materiales inorgánicos.
• Estrategias en la preparación de materiales
• A modo de ejemplo: materiales
superconductores.
• Conclusión

2. 1.Definiciones
“Materiales”: 62.000.000 entradas en Google
“Materials”: 317.000.000
entradas
Ej.: “Materiales de construcción”

3. (Diccionario de la lengua RAE)
Material:
• (Del lat. materiālis).
• 1. adj. Perteneciente o relativo a la materia.
• 2. adj. Opuesto a lo espiritual.
• 3. adj. Opuesto a la forma. Esta alhaja es de poco valor material.
• 4. adj. Grosero, sin ingenio ni agudeza.
• 5. m. Elemento que entra como ingrediente en algunos compuestos.
• 6. m. Cuero curtido.
• 7. m. Cada una de las materias que se necesitan para una obra, o el
conjunto de ellas. U. m. en pl.
• 8. m. Documentación que sirve de base para un trabajo intelectual.
• 9. m. Conjunto de máquinas, herramientas u objetos de cualquier clase,
necesario para el desempeño de un servicio o el ejercicio de una
profesión. Material de guerra, de incendios, de oficina, de una fábrica.
• Materials are substances or components
with certain physical properties which are
used as inputs to production or
manufacturing. Basically, materials are the
pieces required to make something else,
from buildings and art to stars and
computers. (WIKIPEDIA)
MATERIAL: “Sólido útil”

4. 2. HISTORIA
Flechas y herramientas de sílex.
17000 a.C.
www.museuprehistoriavalencia.es

5. Cuevas de Altamira. Bisonte. 13000 a. C. Fe2O3 + C +....
Edad del bronce (Cu/Sn):
3000-800 a.C.

6. Tesoro de Villena.
Siglo XI a.C.
(Au)
Edad del Hierro:
1400 a. C. hasta 1950 d.C. (?)

7. Cerámica campaniforme. 1800-2200 a.C.
www.museuprehistoriavalencia.es
Vaso campaniforme. Ciempozuelos (Madrid),
Edad de Bronce, entre 1970 y 1470 a.C.
Museo Arqueológico Nacional

8. Cerámicas griegas , siglo VI a.C.
piezas de arcilla moldeada, endurecida por el calor.
Su composición suele ser:
dióxido de sílice (algo por debajo de un 60%), aluminio (entre un 15 y un 20%),
óxido de hierro (hacia un 7%) y otros óxidos de magnesio, calcio, sodio y potasio.
El material tiene que ser moldeable y, al mismo tiempo, capaz de conservar la
forma cuando se ha trabajado, por lo que admite agua, que se pierde después de
que la pieza haya pasado por el fuego. www.kalipedia.com/arte/

9. Porcelana
Origen: China, s. VII-VIII a.C.
Base: Caolín, T>>>
Formación militar del
mausoleo del primer
emperador Quin
Terracota
(250 adc)

10. VIDRIO: (SiO2 + aditivos) Egipto, Fenicia 1500 a.C.
Cementos, Hormigón, Yeso….
Panteón, Roma

11. Nuevos Materiales (s. XXI)
HISTORIA DE LA HUMANIDAD
« Era » Años Avance Materiales Lugar
significativo Cerámicos
Paleolítico 15000 a.C.-- Piedra, ------------ Africa
Fuego
Neolítico 7000 a. C. -- Rueda, Alfarería Oriente
Agricultura Medio
Edad del 4000 a. C. -- Escritura, Ladrillos Oriente
Bronce Hornos, Medio
Armas
Edad del 1500 a. C.-- Nuevas Vidrio, Oriente
Hierro Armas, Medio,
Navegación Europa,
Porcelana China
Historia Edades Pólvora, Vidriados, China,
documental « antigua », Imprenta, gres, P. árabes,
« media », Máquina de Europa,
« moderna , Vapor, etc
Contempo- Actualidad--- Nuevas Cerámicas Globo
ránea - fuentes de « avanzadas
energía, »
Internet,
etc...

12. 3. Clasificaciones
Tipos de Materiales:
• Naturales: de origen mineral, vegetal o animal.
• Artificiales: Metales, cerámicas, polímeros y
compuestos.
• Funcionales: Estructurales, electrónicos,
eléctricos, magnéticos, ópticos, etc.
• Orgánicos, inorgánicos o híbridos.
• Moleculares o no moleculares.
• Mono- bi- o tridimensionales.
• Biomateriales.
• Nanomateriales, nanoestructurados, etc.

13. Material: “Sólido útil”
Cerámicas Polímeros
Metales
Compuestos
4. Materiales Inorgánicos
Moleculares: enlace “débil” entre especies
complejas.
No moleculares (“cerámicos”):
• enlace fuerte, iónico-covalente.
• Composiciones y estructuras muy variadas.

14. MECÁNICAS ELÉCTRICAS
QUÍMICAS PROPIEDADES MAGNÉTICAS
OTRAS ÓPTICAS
Materiales inorgánicos. Propiedades mecánicas:
Materiales inorgánicos. Propiedades mecánicas:
•Materiales muy duros:C(diamante), BN, SiC, Si3N4, “C3N4”,...
duros:
•Lubricantes:C(grafito), MoS2, ...
Lubricantes:
•Cerámicas tenaces:Al2O3, ZrO2, Sialones, ...
tenaces:
•Sin dilatación térmica o con contracción:ZrW2O8, zeolitas,...
n:
•Ferroelásticos:CaAl2Si2O8
sticos:
•Etc...

15. Materiales inorgánicos. Propiedades eléctricas:
Materiales inorgánicos. Propiedades eléctricas:
Conductividad Electrónica:
Aislantes: SiO2...
Semiconductores:Si, AsGa,..
Metálicos:ReO3, CrO2..
Superconductores: YBa2Cu3O7...
•Conductividad iónica:
Electrolitos sólidos (catiónicos: β-Al2O3, AgI ) o
(aniónicos: ZrO2... )
Conductores protónicos
•Dieléctricas
Ferroeléctricos: BaTiO3...
Piezoeléctricos: α-cuarzo..
Piroeléctricos:ZnO...
Materiales inorgánicos. Propiedades magnéticas:
Materiales inorgánicos. Propiedades magnéticas:
•Diamagnéticos:SCAT
ticos:
•Paramagnéticos (Pauli) TiO, RhO2...
•Paramagnéticos (Curie-Weiss)
•Ferromagnéticos CrO2, γ-Fe2O3 , YIG, ..
•Antiferromagnéticos α-Fe2O3
•Ferrimagnéticos Fe3O4, hexaferritas,...
•Vidrios de espín
•Magnetorresistentes :La1-xCaxMnO3
•Multiferroicos: BiFeO3
•etc...

16. Materiales inorgánicos. Propiedades ópticas:
Materiales inorgánicos. Propiedades ópticas:
•Pigmentos TiO2, Cr2O3, sulfuros de T.R.,
•Termocrómicos
•Ventanas de IR NaCl, CaF2,...
•Láseres (Cr)Al2O3, (Nd)YAG,...
•Luminescentes
•Fosforescentes
•Óptica no lineal LiNbO3
•Cristales líquidos
•etc...
Materiales inorgánicos. Propiedades “químicas”:
Materiales inorgánicos. Propiedades “químicas”:
•Catálisis heterogénea Zeolitas, fosfatos, metales soportados,
óxidos metálicos, etc...
•Almacenamiento de energía: pilas de combustible, baterías de
ión litio, etc..
•Almacenamiento de hidrógeno LaNi5, hidruros metálicos,
•Almacenamiento de residuos nucleares: Synroc, vidrios
nucleares
fluorados, ..
•Sensores de gases: , zircona
•Sensores químicos
•Adsorbentes Zeolitas
•Intercambio catiónico: Zeolitas
•etc...

17. 5. Estrategias en la
preparación de materiales
•Motivación: ¿qué preparar?, ¿para qué?
•Procedimientos: ¿cómo?, ¿en función de qué?
•¿Materiales de “diseño”?, o más bien, ¿“serendipity”?
Materiales de moda:
Materiales de moda:
(Palabras clave)
(Palabras clave)
“Smart” materials...
“Smart” materials...
Super(materials)...SCAT, SCI,
Super(materials)...SCAT, SCI,
CMGR,...
CMGR,...
•Nanomateriales, Nanoestructuras,
•Nanomateriales, Nanoestructuras,
Nano....
Nano....
•Materiales multifuncionales (ej. Magneto-
•Materiales multifuncionales (ej. Magneto-
resistentes, multiferroicos, etc…)
resistentes, multiferroicos, etc…)
•Mat. Biomiméticos
•Mat. Biomiméticos
•Etc.....
•Etc.....

18. Materiales por necesidad. Ej.:
Materiales para la energía:
Materiales para la energía:
•Fotovoltaicos
•Fotovoltaicos
•Baterías Alcalinas
•Baterías Alcalinas
•Pilas de combustible
•Pilas de combustible
•Superconductores
•Superconductores
•Supercondensadores
•Supercondensadores
•Otros
•Otros
Ciencia de Materiales : interdisciplinareidad
Procesado
Aplicaciones
Química Ingeniería
Composición
Estructura Física Propiedades

19. Estrategias en la preparación de materiales:
en función de la composición
• Haluros, OXIDOS, sulfuros, nitruros,
carburos, hidruros, etc....
(o combinaciones más complejas)
• Con metales o no metales o ambos
• Binarios, ternarios, cuaternarios...
NUEVOS MATERIALES: ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA
NUEVOS MATERIALES: ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA
I) Cambios de estructura, composición constante
I) Cambios de estructura, composición constante
II) Cambios de composición, estructura constante:
II) Cambios de composición, estructura constante:
a) todos los átomos de un tipo (familias);
a) todos los átomos de un tipo (familias);
b) algunos átomos (solución sólida)
b) algunos átomos (solución sólida)
III) Fases metaestables.Procedimientos “suaves”.
III) Fases metaestables.Procedimientos “suaves”.
IV) Nuevas composiciones:
IV) Nuevas composiciones:
a) Prueba y error
a) Prueba y error
b) Diseño
b) Diseño
c) “Serendipity”
c) “Serendipity”
V) Materiales compuestos (“composites”)
V) Materiales compuestos (“composites”)
VI) Cambios en el procesado
VI) Cambios en el procesado
VII) ETC...
VII) ETC...

20. Estrategias en la Preparación de Materiales
Estrategias en la Preparación de Materiales
I: Misma composición, distinta estructura
Ejs: TRANSICIONES DE FASE
P>>, T>>
C(grafito) -------------------- C(diamante)
(semimetal) (aislante)
61ºC
VO2 (monoclínico)-------- VO2 (rutilo)
(semiconductor) (metal)
∼120ºC
βAgI ---------------------- α AgI
(semiconductor) (conductor iónico)
ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
Cambios de estructura, composición constante
GRAFITO NANOTUBOS
DIAMANTE

21. ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
II) Cambios de composición, estructura constante
II) Cambios de composición, estructura constante
a) todos los átomos de un tipo (familias);
ejemplos:
• perovskitas ABO3,
• espinelas AB2O4,
• rutilos MO2,
• pirocloros A2B2O7,
• etc...
•(no sólo óxidos: fluoruros, sulfuros, etc...)
a c
Rutilo: MO2
M = metal de
b
transición

22. Estrategias en la Preparación de Materiales
Estrategias en la Preparación de Materiales
II: Misma estructura, distinta composición
Ejs: Dióxidos (rutilos)
Fórmula P.Magnéticas P. Eléctricas Color
TiO2 Diamagnético Semiconductor Blanco
(Δ 3.05 eV)
VO2 Paramag.Pauli Metálico Negro
CrO2 Ferromagnético Metálico Negro
MoO2 Diamagnético Metálico Bronce
ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
Cambios de composición, estructura constante
Cambios de composición, estructura constante
a) algún tipo de átomos (disoluciones sólidas);
Sustituciones ISOVALENTES
ejemplo:
• Alúmina: Al2O3 ; estructura corindón, blanco
• Cromia: Cr2O3; “ “ , verde
• RUBÍ: Al2-x Crx O3 ( x <<) “ , ROJO

23. ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
Cambios de composición, estructura constante
Cambios de composición, estructura constante
a) algún tipo de átomos (disoluciones sólidas);
Sustituciones ALIOVALENTES
ejemplo:
• Zircona ; ZrO2 estructura fluorita
• Ytria: Y2O3; “ C-Tierras Raras
• YSZ: Zr1-xYx x/2O1-x/2 : Estructura fluorita con vacantes
aniónicas. Conductor de iones O=.
ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
Cambios de composición, estructura constante
Cambios de composición, estructura constante
b)
Sustituciones ALIOVALENTES COMBINADAS
ejemplo:
• Silicatos: Al 3+ , A+ en lugar de Si4+

24. Fases Metaestables.
Fases Metaestables. Química “suave”
Química “suave”
Ej.:
Ej.: Intercalación en compuestos laminares
Intercalación en compuestos laminares
Fases Metaestables.
Fases Metaestables.
Ejs:
Ejs:
•• α-Cuarzo: ssíntesishidrotermal, 400 ººC,P>>, pH>>
α-Cuarzo: íntesis hidrotermal, 400 C, P>>, pH>>
•• γγ-Fe2O33 ((maghemita).T<300º C
-Fe2 O maghemita). T<300º C
•• C (diamante) P>, T>, catalizadores.
C (diamante) P>, T>, catalizadores.
•• Zeotipos
Zeotipos
•• ETC....
ETC....

25. Polvo monocristales películas
policristalino delgadas
Estrategias en la Preparación de Materiales:
Estrategias en la Preparación de Materiales:
Algunas propiedades importantes dependerán de la
Algunas propiedades importantes dependerán de la
forma final
forma final
vidrios amorfos
Nanomateriales
Silicio monocristalino
(IKZ, Berlin)

26. Paneles solares de Silicio (amorfo)
Cuarzo: α-SiO2
(cristalino)
Vidrio: SiO2
(amorfo)

27. Antecedentes
NANOMATERIALES
•Los materiales en forma de nanopartículas (Ø≤100 nm)
presentan propiedades diferentes a las de polvo
microcristalino, monocristales o películas delgadas de
igual composición; en ello radica su interés. Presentan
morfologías diversas: nanoesferas, nanohilos, etc...
Revistas especializadas: Nanostructured Materials;
Nanoletters, etc.
Estrategias en la Preparación de Materiales
Estrategias en la Preparación de Materiales
Materiales de “diseño”:
El caso del “NASICON”
Na1+X Zr2P3-X SiXO12
Ea ∼ 0.2 eV
J.B. GOODENOUGH
Proc. Royal Soc.A393 (1984) 215

28. Zeolitas:¿Materiales de Diseño?
Aluminosilicatos Imagen microscopía e-
“Nanoreactores”: aplicación en catálisis
ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
••Cambios en el procesado
Cambios en el procesado
••Nuevas composiciones: materiales de diseño
Nuevas composiciones: materiales de diseño
••Nuevas composiciones o estructuras:
Nuevas composiciones o estructuras:
“serendipity”
“serendipity”
••Materiales compuestos
Materiales compuestos
••etc., etc...
etc., etc...

29. 6. Materiales Superconductores
Un ejemplo reciente:
Las diversas familias de cupratos superconductores
¿qué pistas se han ido siguiendo y por qué?
Resistividad del mercurio en función de la temperatura
Ternperature dependence of the resistance of mercury showing its disappearance as it becomes
superconducting. This was the first observation of superconductivity, H. Kamerlingh Onnes (191 l).
H. Kammerling-Onnes, Leiden Commun.120b, 122b, 124c (1911)

30. Kammerlingh-Onnes y Holz (Leiden, 1911)
Progresión a lo largo del tiempo de la temperatura crítica de los materiales superconductores
Tc (K) ?
HgBaCaCuO (HP) 165 K (25 GPa)
160
140 135 K (1 atm)
HgBaCaCuO C1/2Cu1/2Ba2CaCu3O8+x (HP) ???
TlBaCaCuO 125 K (1 atm)
120 C1/2Cu1/2Ba2CaCu3O8+x ( 117 K)
BiSCO
100
Ybacuo
80 N2liq.
60
Srlacuo (HP)
40 Srlacuo ?
Ne liq. Balacuo
Nb2Sn NbAlGe
20 H2 liq. NbN
N bO V3Si Nb3Ge
Pb Nb
He liq. Hg
0
año
1910 1930 1950 1970 1990 2000

31. (AO)m {(BO)2(M)n-1} (CuO2)n
Caso del balacuo
Bednorz & Muller
m= 0; n = 1 ⇒ (BO2CuO2 <> La2CuO4 <> (0201)
La2CuO4 +δ
La2-xMxCuO4
M = Ba, Sr, Ca, K, Na
T T’ T* “Balacuo”
Tokura & Arima, Japan J. Appl. Phys. (1990) 29, (see also: M.A. Alario-Franco, Adv. Materials, (1995), 7(2))
A. K. Müller
G. Bednorz
Premio Nobel Física 1987

32. The Ybacuo or 123 structure
m = 1, n = 2 ⇒ (CuO){ Ba2O2 Y} (CuO2)2 <> YBa2Cu3O7 <> Cu Ba2YCu2O7 ⇒ (1212)
Cu
Ba
c
Y
O
c
c
b
a
HREM of the YBa2Cu3O7 superconductor
Imán (Nd-Fe-B) levitando sobre YBCO a 70K

33. Superconductores con bismuto
m = 2; n = 1 Bi2Sr2CuO6 2201
m = 2; n = 2 Bi2Sr2CaCu2O8 2212
m = 2; n = 3 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 2223
Aspectos destacados: Tc altas
No estequiometría en oxígeno y estroncio
Estructura modulada inconmensurable
Exfoliabilidad
Familia de fases
Dificultad de preparar pura (n = 3)
Plomo como fundente
Estructuras idealizadas de los superconductores con talio

34. Estructura cristalina de los diferentes miembros de la familia de “cupratos de mercurio”
superconductores HgBa2Can-1CunO2n+2+δ
n=1 n=2 n=3 n=4 n=5
Tc = 94 Tc = 127 Tc = 135 Tc = 110
150 (25 GPa)
165 (250 GPa)
Table 1. Superconducting Transition Temperatures (in K) of Homologous
Series of Superconductors Prepared under High Pressure :(1 or 2) (n-1) n

35. Estrategias en la Preparación de Materiales
Estrategias en la Preparación de Materiales
A veces no hay que preparar...basta “redescubrir”.Ej:
Un “viejo material” redescubierto como “nuevo superconductor”
MgB2 Tc≈40K
7. Conclusión
La Ciencia de Materiales

37. El Alquimista
(Portada del Catálogo
Sigma-Aldrich 2005)
!! Muchas gracias por la atención !!
emoran@quim.ucm.es