Temario Curso Fronteras en Ciencia de Materiales I: Diseño y preparación

1. Diseño de materiales con propiedades específicas

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.

Síntesis mediante técnicas bottom-up. Materiales supramoleculares y poliméricos
B. Gómez-Lor/E.M. Maya

En los últimos años, unido al desarrollo de la nanotecnología, ha surgido un gran interés por la obtención de materiales siguiendo lo que se conoce como una estrategia bottom-up, su construcción a partir de sus unidades más pequeñas.
En este curso se mostrará cómo mediante un adecuado diseño a nivel molecular se logra un alto control de la propiedad final del material y se presentarán los principios básicos en el desarrollo de materiales orgánicos y organometálicos para aplicaciones en campos tan variados como la electrónica impresa, adsorción y separación de gases o el desarrollo de eficaces sistemas catalíticos.

Química reticular: Diseño de materiales y aplicaciones.
F. Gándara

La química reticular abarca el estudio de materiales formados por la unión de unidades de construcción moleculares a través de enlaces fuertes, para formar redes robustas con características estructurales deseadas.  En la clase se presentará al alumnado los principios básicos de construcción de estos materiales y se mostrará cómo los principios de la química reticular se han aplicado en el desarrollo de clases de materiales tales como los “metal-organic frameworks” y “covalent organic frameworks” (MOFs, COFs). Se ilustrará como estos materiales tienen utilidad en diversos campos, que incluyen almacenamiento energético, remediación medioambiental, o liberación controlada de fármacos, entre otros. Finalmente se mostrarán algunas de las tendencias actuales en la investigación sobre materiales reticulares.

Materiales biomiméticos
M. Ferrer/M.C. Gutiérrez Pérez

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.

Síntesis de óxidos polifuncionales
J.A. Alonso

El interés por los óxidos metálicos aumentó enormemente con la aparición de los cupratos superconductores de alta temperatura crítica en los años 80. Este interés se ha mantenido posteriormente con la descripción de nuevas fenomenologías, como la magnetorresistencia colosal o el carácter multiferroico en óxidos; estos materiales también encuentran aplicaciones en pilas de combustible y muchos dispositivos electrónicos. Muchos de estos óxidos presentan una estructura de tipo perovskita, que por su flexibilidad composicional es capaz de albergar un gran número de elementos de la tabla periódica, a los que deben sus propiedades. Muchos de estos elementos pueden adoptar estados de oxidación inusuales (oxidados o reducidos) y su estabilización está en el origen de las propiedades mencionadas. La síntesis de estos óxidos es clave para estabilizar los estados de oxidación adecuados, muchos de los cuales necesitan condiciones especiales. En esta clase se repasarán diversos métodos de síntesis, desde los más convencionales como los procedimientos cerámicos y la síntesis por vía húmeda (soft chemistry) a los más sofisticados que transcurren a alta presión. También se aludirá a la necesaria caracterización estructural, en muchas ocasiones por difracción de neutrones, y siempre atendiendo a las propiedades de interés y a las aplicaciones para las que se pretende diseñar y optimizar estos materiales.

2. Materiales para la salud

Biomateriales y sus aplicaciones en biomedicina
M.C. Serrano

En las últimas décadas, la investigación en Ciencia de Materiales se ha adentrado en el complejo ámbito del desarrollo de materiales avanzados que puedan servir como elementos terapéuticos en Biomedicina, abarcando aplicaciones tan diversas como la reparación del tejido cardiovascular, la sustitución de tejido óseo y cartilaginoso, la liberación de fármacos o la regeneración neural, por citar algunos de los más destacados usos. Estos materiales, convencionalmente llamados “biomateriales”, requieren un diseño inteligente y exhaustivo en el que un amplio abanico de parámetros diferentes debe tenerse en cuenta para garantizar el éxito del dispositivo fabricado. Desde las propiedades físico-químicas hasta la biocompatibilidad con células y tejidos (estudios in vitro, ex vivo e in vivo), los biomateriales deben satisfacer un conjunto de requerimientos que sólo pueden alcanzarse desde una estrategia combinada que aúne la experiencia de equipos de investigación multidisciplinar para su diseño y desarrollo. En esta clase, realizaremos un interesante recorrido por los parámetros más relevantes a considerar en el diseño de biomateriales, así como algunas de sus más exitosas aplicaciones en Biomedicina.

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.

3. Materiales para conversión y almacenamiento de energía

Materiales para baterias recargables
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.

Materiales para 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.

Láminas delgadas para captación de energía solar
C. Prieto

La conversión directa (es decir, sin intervención de procesos químicos) de energía solar en energía eléctrica está unida a lo que se conoce como materiales en forma de lámina delgada. El objetivo de este tema es comprender la función de estos materiales en diversos tipos de tecnologías utilizadas en la recolección de energía solar. Se estudiarán los recubrimientos espectralmente selectivos a radiación solar y emisión infrarroja en los que, curiosamente, el “efecto invernadero” que ocurre dentro de un material específicamente diseñado de poco más de 100 nm de grosor es una de las apuestas para luchar contra el cambio climático. También se hará énfasis en las características que deben tener las láminas delgadas de materiales transparentes y conductores como parte integrante de células fotovoltaicas de última generación.

4. Materiales para electrónica

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).

Materiales para electrónica orgánica
E. García Frutos

La Electrónica Orgánica es una rama de la electrónica que se ocupa del estudio de materiales orgánicos. El nombre procede de usar los semiconductores “orgánicos”, que se hacen con materiales con base de carbono, en lugar de silicio como en la electrónica convencional. La gran ventaja que poseen los dispositivos basados en materiales orgánicos, aún en una fase de desarrollo preindustrial, viene establecida por sus interesantes propiedades técnicas. La ligereza y flexibilidad de dichos dispositivos, generalmente impresos sobre sustratos plásticos, hacen que puedan ser integrados y adaptados casi a cualquier escala. En esta clase se presentara como la electrónica orgánica es altamente interdisciplinar e involucra el diseño, síntesis y procesamiento de materiales orgánicos e inorgánicos funcionales, el desarrollo de técnicas avanzadas de micro y nanofabricación, diseño de dispositivos y circuitos, y caracterización de materiales y dispositivos

Materiales 2D
R. Frisenda

En esta clase se introducirán los materiales bidimensionales de van der Waals, una familia de materiales cristalinos de espesor atómico formada por mas de 3000 miembros que incluyen al grafito y al grafeno. Revisaremos las motivaciones científicas que han impulsado el descubrimiento y la investigación en estos materiales en los últimos 15 años. A continuación se introducirán los distintos métodos para aislar estos materiales así cómo los métodos más extendidos para caracterizar las propiedades fisicas de estos materiales. Terminaremos describiendo las técnicas más comúnes para la fabricación de nanodispositivos empleando éstos semiconductors, metales y aislantes 2D.

Métodos de nanolitografía y sus aplicaciones
R. García

La nanolitografía incluye los métodos y procedimientos para fabricar patrones y dispositivos con dimensiones características por debajo de los 100 nm. La clase proporciona una introducción a los métodos más actuales para fabricar dispositivos y nanoestructuras a escala nanométrica. Entre otros métodos, se describen las nanolitografías de electrones, las haces iónicos y las basadas en el uso de los microscopios de fuerzas. La clase combina tanto aspectos básicos como aplicaciones y se complementa con varios ejemplos para diseñar dispositivos nanométricos.