En el ICMA desarrollamos un gran número de investigaciones en los más diversos temas del campo de la ciencia de materiales. ¿Sabes qué es un imán molecular? ¿O para qué otras cosas sirve el oro? ¿Qué materiales soportan temperaturas de más de 1.600º C? ¿Cómo podemos enfriar utilizando imanes? Todos estos temas y muchos otros más puedes encontrarlos a continuación.
Aminoácidos no naturales para mejorar las propiedades de los péptidos
Durante las últimas décadas se ha asistido a un enorme desarrollo de la química de los péptidos moléculas similares a las proteínas, esto es, construidas a partir de otras más pequeñas que son los aminoácidos, pero más pequeños que éstas-. No solamente respecto a su aislamiento a partir de fuentes naturales sino también a su síntesis, identificación estructural y elucidación de su modo de acción. Por ello los péptidos han mostrado su interés en campos tan diversos como la química, bioquímica, farmacología, química médica y la biotecnología.
Las propiedades de los péptidos, formados por cadenas de aminoácidos conectados entre sí por lo que se denomina un enlace peptídico, dependen del número, tipo y secuencia de los diferentes tipos de aminoácidos naturales que se encuentran en su estructura.
La química orgánica moderna dispone de numerosas herramientas que permiten la preparación de nuevos tipos de aminoácidos no naturales. Por ello uno de los retos científicos más importantes de los últimos años consiste en la preparación de nuevos aminoácidos especialmente diseñados que permitan mejorar las propiedades y la estabilidad de un péptido cuando dichos aminoácidos son incorporados en la estructura peptídica.
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El moderno alquimista: comportamiento químico y nuevas aplicaciones del oro
El oro, aunque utilizado y valorado desde los orígenes de la humanidad, ha sido uno de los metales menos conocidos hasta hace relativamente muy poco tiempo. El desarrollo espectacular del conocimiento del comportamiento químico del oro, a partir de 1970, que se está produciendo durante las últimas tres décadas, está permitiendo la apertura de nuevas y, hasta hace poco, insospechadas, áreas de trabajo, que ponen de manifiesto su carácter único entre los elementos de la Tabla Periódica.
El moderno alquimista es el que trabaja con oro para encontrar nuevas aplicaciones de este metal o sus compuestos: A) Nuevos métodos sintéticos, que posibilitan la preparación y caracterización de un elevado número de complejos. B) Compuestos presentan propiedades luminiscentes. C) Compuestos con propiedades antitumorales. D) Preparación de polímeros que contienen centros de oro que pueden tener aplicación como catalizadores.
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Materiales para altas temperaturas
El desarrollo tecnológico actual está exigiendo temperaturas de trabajo cada vez más altas ya que el rendimiento de cualquier máquina térmica mejora al aumentar la temperatura y en la industria aeronáutica aumentar la velocidad conlleva un aumento de la temperatura de los fuselajes.
Cuando estas temperaturas de trabajo no sobrepasan los 400ºC, podemos utilizar los aceros y aleaciones ligeras actuales. Pero todos hemos observado las grandes temperaturas que se alcanzan en las lanzaderas espaciales cuando se produce la reentrada en la muestra (unos 1000ºC). Para proteger a las personas y al material se utilizan losetas de material compuestos de fibras de borosilicato de aluminio y sílice. Estos materiales hay que reponerlos en cada vuelo. Y cada vez va a ser necesario desarrollar materiales que soporten temperaturas más altas.
Existen metales refractarios como el tungsteno, el tántalo, el titanio o el molibdeno, pero son muy escasos y caros. La solución puede encontrarse en el ámbito de las cerámicas. Hoy la tecnología permite fabricar piezas de multitud de compuestos inorgánicos, como por ejemplo silicatos, óxidos, carburos o nitruros. El principal problema de estos materiales que son muy frágiles.
¿Qué ocurre pues si combinamos un metal con una cerámica? La adición de partículas cerámicas a un metal mejora la resistencia a la deformación a altas temperaturas y la adición de partículas metálicas a una cerámica eleva su tenacidad y resistencia a la ruptura. Esto es lo que se llama CERMET, y un ejemplo es la circona-titanio que puede trabajar a 1650ºC.
En el ICMA estamos desarrollando materiales para utilizarlos como ánodos en pilas de combustible de óxido sólido, que deben trabajar a temperaturas entre 500ºC y 1000ºC. Este debe ser un material poroso que sea buen conductor eléctrico y resistente a un entorno altamente reductor. Se ha elegido un cermet de cricona estabilizada con ytria, con un 30% de partículas de níquel metálico y otro 30% de poros.
También se trabaja en el desarrollo de materiales resistentes al fuego. La principal aplicación en este caso es el desarrollo de materiales de construcción que soporten bien las altas temperaturas que se desarrollan durante un incendio y permitan que las estructuras permanezcan estables durante más tiempo.
Nuevos patrones eléctricos basados en fenómenos cuánticos
Nuestras posibilidades de conocer y cambiar el mundo están íntimamente ligadas con la capacidad de medir, que consiste en averiguar cuántas veces una determinada cantidad patrón esta contenida en la magnitud que queremos cuantificar.
La Metrología es la ciencia de la medida. La posibilidad de realizar medidas cada vez más precisas es la base de numerosos avances tecnológicos. Pero para medir bien no basta con tener buenos patrones. Es en el marco de la mecánica cuántica donde se puede ir más lejos en la búsqueda de la precisión y la universalidad de las medidas.
Basándonos en fenómenos cuánticos, hemos desarrollado en el Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón sendos patrones de voltaje y resistencia eléctrica. Y al utilizar propiedades de los materiales superconductores, hemos desarrollado nuevos puentes de medida que permiten utilizar los nuevos patrones sin degradar su precisión durante las medidas. Uno de estos sistemas puede formar parte en el futuro de un nuevo patrón cuántico de corriente.
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Investigación en biofísica: modelos sencillos para comportamientos complejos
Hace 60 años, Erwin Schrödinger, pionero de la Física Cuántica, en su libro ¿Qué es la vida? planteaba la pregunta ¿Está la vida basada en las leyes de la Física? Desde entonces, y motivados por responder a esta cuestión, muchos físicos han dedicado toda o parte de su investigación a la integración de la complejidad de los sistemas biológicos en el marco de las leyes de la física (Francis Crick, codescubridor de la estructura del ADN, es el ejemplo más representativo). Este fenómeno es especialmente relevante en los últimos 20 años en los que se ha producido la convergencia de algunos campos de la Física, como lo que se ha dado en llamar Física de la Materia Condensada Blanda ('Soft Condensed Matter') con la Biología de macromoléculas biológicas: proteínas y ácidos nucleicos.
El grupo de Física Estadística y No Lineal está trabajando en los últimos tiempos en diferentes ejemplos de modelización física de sistemas biológicos que se producen a distintas escalas de longitud (o de abstracción, si se prefiere). Por ejemplo se puede citar la modelización de motores moleculares, los modelos de ADN y la simulación de la dinámica de proteínas.
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Fotónica
En la década de 1960 Gordon Moore, de Intel, predijo que el número de componentes electrónicos que se integrarían en un microchip se duplicaría cada 18 meses: es verdad. Gracias a ello vamos consiguiendo ordenadores cada vez más veloces, que operan a 1GHz pero, ¿veremos aparecer uno que lo haga a 100 GHz? Posiblemente no. De hecho, incluso producir uno que funcione a 10 GHz se enfrenta a importantes, si no insuperables, imposibilidades técnicas. No obstante, si utilizamos fotones, luz, en lugar de electrones para transmitir señales, sería posible construir un ordenador que opere a 100 THz, o lo que es lo mismo, a 100.000 GHz.
En la actualidad el rendimiento de los instrumentos electrónicos depende de las conexiones entre los diferentes chips y otros dispositivos más que de los propios chips. Pero los expertos apuntan a que en el plazo de una década, a medida que vayamos miniaturizando más y más, los trozos de metal que se utilizan para conectar los distintos componentes de un chip sufrirán un incremento de problemas tales como la pérdida de velocidad. El uso de conexiones ópticas sería una alternativa porque no tienen estos problemas.
Parte de este asombroso nuevo mundo, la fotónica, se construirá gracias a componentes ópticos hechos con los llamados cristales fotónicos y cuasi-fotónicos, unos materiales cuya estructura se puede manipular para controlar y guiar la propagación de la luz a escala microscópica. Ahora bien, alcanzar una electrónica exclusivamente con fotones puede que esté lejos, e incluso que jamás se consiga. La euforia de los años 90, que veía a la vuelta de la esquina la construcción de un ordenador óptico, se tuvo que suavizar debido a un problema fundamental: no hay sistemas ópticos que realicen funciones equivalentes a los circuitos integrados clásicos de la electrónica. Hoy el entusiasmo se ha moderado y se investiga en el diseño de circuitos que utilicen ambos: la optoelectrónica. Con ella se tendrá el puente imprescindible que unirá la electrónica con la fotónica y las comunicaciones ópticas.
No obstante, no se puede utilizar cualquier material. Puesto que la industria microelectrónica utiliza el silicio, cualquier dispositivo que quiera integrarse en este mundo deberá estar hecho de silicio. Y aquí está uno de los principales inconvenientes. La mayoría de los componentes optoelectrónicos se pueden hacer de silicio, pero para conseguir un sistema optoelectrónico completo se muestra elusivo porque falta un componente crucial: una fuente de luz hecha con silicio. Un láser construido utilizando las tecnologías convencionales de silicio representaría un tremendo impacto. Que no se haya conseguido es debido a que la estructura electrónica del silicio no es la adecuada para la amplificación de la luz, una característica básica para cualquier láser.
Pero las sorpresas no terminan aquí. En 1998 Thomas Ebbesen, del NEC Research Institute de Nueva Jersey hacía un descubrimiento asombroso: supongamos una lámina de cuarzo recubierta de plata a la que se le han hecho una serie de agujeros diminutos, de un tamaño de 150 nanómetros. Entonces la iluminamos con una luz apropiada (técnicamente, con una longitud de onda 10 veces mayor que el tamaño de los agujeros). Lo esperable: que prácticamente no se transmita mucha luz al otro lado. Lo observado: pasaba gran cantidad de luz. Lo asombroso: pasaba más luz que la que incidía sobre el agujero. Dicho de otro modo, que el agujero se comporta como un embudo que recoge la luz de los alrededores cercanos y la pasa al otro lado. En el ICMA hemos logrado incluso que pase más luz que en el experimento original. Las aplicaciones de este descubrimiento son inmensas.
Controlar la luz con metales nanoestructurados
Los metales reflejan la luz pero también tienen otra propiedad óptica menos conocida: bajo ciertas condiciones la luz puede viajar por una superficie metálica, sin alejarse de ella. Esta es una propiedad muy peculiar ya que, normalmente, la luz viaja por las 3 dimensiones del espacio y confinarla no es sencillo. En realidad, esta 'luz superficial' es una onda más complicada que la luz normal ya que involucra, al mismo tiempo, a campos eléctricos y magnéticos y a los electrones libres presentes en los metales; técnicamente es conocida con el nombre de 'plasmón superficial' (SP).
Hasta hace muy poco, no sabíamos controlar el movimiento de esta luz, que acababa perdiéndose en forma de calor. Pero recientemente se han realizado grandes avances en el control de la propagación de esta luz, y en como extraerla de forma útil, abriéndose la posibilidad de utilizar estos avances en dispositivos optoelectrónicos de gran velocidad.
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Nanomateriales
En la Filadelfia de 1946 se construyó el primer ordenador del mundo. Se llamaba ENIAC medía más de tres metros de largo y consumía 174.000 vatios de potencia: cada vez que se enchufaba las luces de Filadelfia parpadeaban unos instantes. Hoy tenemos ordenadores que caben en la palma de la mano y funcionan con pilas.
La miniaturización está llegando a extremos insospechados, hasta el punto de que fabricamos objetos con un tamaño 100 veces menores que un virus: estamos en la era de la nanotecnología. Usando nanociencia la NASA ha sido capaz de detectar UNA molécula de agua en Marte.
¿Qué hacemos en el ICMA en este tema?
Construimos nanohilos magnéticos -para sensores con un tiempo de reacción de millonésimas de segundo-, estudiamos materiales que contienen nanopartículas magnéticas- de aplicación en las cabezas lectoras de los discos duros-, materiales nanoporosos -que se usan en el fraccionamiento del petróleo-, e incluso el metabolismo del hierro en el ser humano, donde la nanociencia tiene mucho que decir...
Investigamos el uso de nanomateriales magnéticos en medicina: pueden guiar al medicamento hacia el lugar de aplicación buscando las rutas moleculares más aptas. También investigamos en nanomateriales con efecto magnetocalórico, que se pueden utilizar para limpiar tumores en zonas donde la cirugía es arriesgada o impracticable.
También lo hacemos en uno de los campos con más futuro, el de los nanotubos de carbono. Son 6 veces menos densos que el acero, 5 veces más rígidos y 100 veces más resistentes. El ICMA trabaja para incorporarlos a un nanocompuesto de altísimas prestaciones mecánicas.
Magnetismo como instrumento en el estudio de nuevas aleaciones
¿Por qué nos siguen fascinado los metales? Después de transcurridas decenas de siglos desde su descubrimiento, los materiales metálicos siguen siendo importantes en nuestro desarrollo económico y tecnológico. Pese a lo remoto de nuestra convivencia con ellos, todavía existen numerosos aspectos básicos pendientes de ser plenamente entendidos, como la aparición de nuevos métodos de fabricación, que requieren de enfoques innovadores en la caracterización y comprensión de estos materiales.
El seguimiento magnético del crecimiento de partículas de cobalto en una matriz de CuCo ilustra este nuevo enfoque, desde el que se trabaja en el Instituto de Ciencia de los Materiales de Aragón (ICMA). Detalles sorprendentes de cómo las partículas de cobalto canibalizan su entorno hasta quedar magnéticamente aisladas del resto nos permitirán percibir por qué el uso del magnetismo puede ser una herramienta refinada en la caracterización de aleaciones de interés industrial.
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Espintrónica: el control del espín
La electrónica tradicional basada en materiales semiconductores y desarrollada a lo largo de los últimos 60 años se basa en el control de la carga de los portadores (electrones o huecos) mientras que el espín del portador no desempeña ningún papel relevante (el espín es una propiedad mecano-cuántica de las partículas y los átomos). En los últimos 15 años hemos visto una eclosión de nuevos dispositivos electrónicos (algunos de ellos sólo propuestos teóricamente en otros casos ya comercializados) basados en el control del espín del electrón. El control del espín se realiza generalmente mediante un campo magnético y ha dado lugar al nacimiento de la 'magnetoelectrónica' o 'espintrónica'. Algunos de los dispositivos magnetoelectrónicos ya comercializados a fecha de hoy son las cabezas lectoras magnetorresistivas que utilizamos para leer la información almacenada magnéticamente en los discos duros de nuestros ordenadores y los sensores de posición de no contacto para automóviles en el ámbito de la seguridad y comodidad.
En un futuro próximo se comercializarán las memorias magnéticas no volátiles basadas en 'uniones túnel magnéticas' de aplicación en las memorias RAM de ordenadores y en memorias para cámaras digitales, teléfonos móviles, etc.
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