‘Autor: G.R. Plaza’

Fomento de la colaboración hispano-china en ciencia e ingeniería de materiales: NPU-UPM Workshop on Advanced Materials and Devices

El NPU-UPM Workshop on Advanced Materials and Devices ha tenido lugar en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Northwestern Polytechnical University (NPU) entre el 1 y el 8 de abril, 2018.

Este taller ha sido organizado por Northwestern Polytechnical University y la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), ambas muy reputadas instituciones en el ámbito de la ingeniería y tecnología. En el taller han participado 22 profesores y además también estudiantes de ambas universidades, habiéndose impartido 22 presentaciones con formato de lección magistral. Las presentaciones han versado sobre materiales híbridos, grafeno, resonadores electroacústicos, materiales fibrilares, nanomateriales, etc. El taller ha generado nuevas ideas sobre tecnologías biónicas, celdas solares, superaleacciones, baterías, etc. Este taller pretende fomentar la colaboración investigadora entre ambos países.

Read this information in English (NPU web site).

Etiquetas:

The materials of the Moon

By G.R. Plaza (UPM)

(English version of the post “Los materiales de la Luna“)

The view of the Moon delights us in unclouded nights. We can see its non-homogeneous surface: the different reflexion properties of the brighter and darker regions have made us to imagine on it a face or other images. Besides, we are surprised by these differences and we wonder what the materiales that reflect the Sun light so differently are.

The first astronomers could imagine that the dark regions were seas of water. Moreover, it was easy to guess that the impressive craters had been produced by the impacts of large objects. Those craters and the cracks on the Moon surface, and also the dark seas, make the extremely beautiful visage. It can be observed in great detail by using, for instance, a photography camera equipped with a teleobjective (see figure 1). Along the history, the astronomers have identified and named the myriad of craters and the seas.

Figure 1. The Moon viewed from Madrid, two days before the full Moon (G.R. Plaza, August 2015).

The seas of the Moon don’t contain water and their darker color is due to their composition. The rocks originated from volcanoes that existed in the Moon a long time ago remain in the seas. By progressive cooling, the lunar volcanoes have lost their activity. Eruptions took place sometimes after the impacts of asteroids or meteoroids. The rocks of volcanic origin, which are basaltic, are darker than the rocks on the lunar crust which form the bright regions. On the lunar seas landed the first vehicle that succesfully got a soft landing (Luna 9, de la URSS, en 1966) and the first humans of the Apollo 11 mission (landing at Sea of Tranquility, 1969). The Apolo 11 mission brought more than 20 kg of lunar samples back to Earth. Those samples and the samples from subsequent expeditions have allowed us to establish the composition of the lunar dust and surface rocks: essentially silicon, aluminum, calcium, iron, magnesium titanium an sodium oxides. Distributed by the US government as gifts, lunar samples are kept in many North-American cities and in various countries.

The similar proportion of oxygen and tungsten isotopes in the lunar and terrestrial minerals, the density of the Moon (lower than the average density of the Earth but similar to the terrestrial mantle), and also the possible explanations for the origin of the Earth-Moon system, have convinced the astronomers that the Earth and the Moon were initially a single object. The most accepted theory is that the separation occurred after a great impact, during the first epoque of the Solar System. That impact produced a ring of debris orbiting around the nascent Earth. The calculations of this model  predict that the debris would have formed the Moon in a few years and, moreover, that most of the material in the new satellite would be initially molten, as a magma. All the lunar rocks are igneous, formed through the cooling of the magma, slowly or more rapidly at the seas.

The fragments of rocks and dust on the lunar surface are called regolith and derive from the rocks. They are the products of variuos rupture mechanisms, including:

  • Fractures produced by the impacts of meteoroids and asteroids. Once the Moon solidified, and since its materials are rocks that are fragile (they absorve low energy during the breaking process), the impacts produce myriads of cracks.
  • Tidal forces. The tidal forces would have contributed to mold the Moon during the solidifying process. The dissipation of energy during the deformation of the materials in the volume of the Moon by the tides would slow down the rotation of the Moon to the point of making it rotate with the same period of translation around the Earth, so that the visible face of the Moon is always the same.* Nowadays, the tides on the Moon produce cyclic loading of the rocks, because of the non-circular elliptic orbit of the Moon. Cyclic loading may produce the rupture of materials, by a process known as fatigue. Typically, the fatigue produces a cumulative damage by progressive microcracking. The ruptures of lunar rocks, at a certain depth, may produce seisms.
  • Stresses originated by the change of temperature between day and night: there is a superposition of temperature variation and stress variation. Typically it is known as thermal fatigue and the result is, again, the progressive damage and final rupture of the material.
  • Solar radiation, which may produce direct damage by breaking chemical bonds.

 

Impacts of asteroids and meteoroids and volcanoes have drawn the beautiful shapes on the lunar surface, stimulating our imagination. The Moon shows us its old wounds, which have remained unaltered during some billions of years. The Earth had similar wounds and now they are attenuated or cleaned by the displacements and deformation of the tectonic plates, eroded by atmospheric of hydrological agents and by the action of living beings.

 

—————

* Similarly, tides on the Earth dissipate energy by the friction of materials and the movement of water. Slowly, this dissipation of energy slows down the rotation of the Earth, which would reach a stable rotation period by keeping the same face in front of the Moon, if there were not other changes in the Solar System.

Etiquetas:

Los materiales de la luna

Por G.R. Plaza (UPM)

En las noches de cielos despejados, no deja de maravillarnos la visión de la Luna, en la que a simple vista podemos observar una superficie no homogénea: las zonas que reflejan la luz del Sol de forma diferente ha hecho que a lo largo de la historia hayamos visto en ella una cara u otras figuras, y también que nos hayamos preguntado por los materiales que la forman y las razones de las diferencias de brillo.

Los primeros astrónomos pudieron imaginar que las zonas oscuras eran mares de agua. Además fue fácil deducir que los impresionantes cráteres que se observan en la superficie corresponden a impactos de grandes cuerpos. Dichos cráteres y las grietas en la superficie lunar, así como sus oscuros mares, forman una imagen de extremada belleza que se puede observar con gran detalle, por ejemplo, empleando una cámara fotográfica con un teleobjetivo (ver figura 1). A lo largo de la historia, los astrónomos han identificado y dado nombre a los diferentes cráteres y mares lunares.

Figura 1. La luna vista desde Madrid, dos días antes de la fase de luna llena (G.R. Plaza, agosto de 2015).

Los mares de la superficie lunar no son realmente mares de agua y su aspecto más oscuro es debido a la diferencia de composición. En estos mares han quedado las rocas formadas a partir de lava de volcanes que hubo en la luna, si bien, por enfriamiento progresivo, ya ha perdido la actividad volcánica. Las erupciones acontecieron a veces a partir de los cráteres de impactos de meteoroides o asteroides. Las rocas de origen volcánico, basálticas, son más oscuras que las de la corteza lunar que vemos como más brillantes. En los mares alunizaron el primer vehículo espacial que consiguió un alunizaje suave (Luna 9, de la URSS, en 1966) y los primeros humanos en el Apollo 11 (alunizaje en el Mar de la Tranquilidad, 1969). La misión del Apollo 11 incluso trajo a la Tierra algo más de 20 kg de muestras de la superficie lunar. Las muestras lunares de esta expedición y de las expediciones posteriores han permitido establecer la composición de los restos de rocas y polvo lunar: esencialmente óxidos de silicio, aluminio, calcio, hierro, magnesio, titanio y sodio. A partir de regalos del gobierno de EE.UU., actualmente se conservan muestras en numerosas ciudades norteamericanas y en muchos países. Pueden visitarse por ejemplo en el Museo Naval de Madrid, en el museo Universum de México o en el Museo Nacional de Historia Natural de Santiago de Chile.

La similitud en la proporción de isótopos de oxígeno y wolframio en los minerales lunares y terrestres, la densidad de la Luna (menor a la densidad media de la Tierra pero similar a la del manto terrestre), así como las posibles explicaciones a la formación del sistema Tierra-Luna, han hecho que los astrónomos estén convencidos de que inicialmente la Tierra y la Luna fueron un solo cuerpo, y la teoría con mayor aceptación es que la separación se produjo a partir de un gran impacto, durante la etapa de formación del Sistema Solar. El impacto dio lugar a un anillo de restos orbitando alrededor de la Tierra naciente. Los cálculos de este modelo predicen que los restos habrían formado la Luna en unos pocos años y, además, que la mayor parte del material del satélite estaría inicialmente fundido, formando un magma. Los astrónomos aún buscan nuevas pruebas experimentales de los detalles de esta teoría. Todas las rocas de la luna son ígneas, formadas a partir de la solidificación del magma, lentamente o a mayor rapidez en el caso de la lava en los mares.

Los fragmentos de rocas y polvo que se acumulan en la superficie lunar se denominan regolito y derivan de las rocas. Son productos de diversos mecanismos de rotura de las rocas, incluyendo los siguientes:

  • Roturas debido a impactos de meteoroides o asteroides. Una vez solidificada la Luna, y puesto que sus materiales son rocas que tienen una gran fragilidad (y por tanto absorben una baja energía al romperse), los impactos dan lugar a multitud de fracturas.
  • Fuerzas de marea. Las fuerzas de marea en la Luna habrían contribuido a moldear la luna durante el proceso de solidificación. Además la disipación de energía al deformar los materiales en el volumen de la Luna por efecto de las mareas habría ralentizado la rotación de la luna hasta hacerla rotar con el mismo periodo que el movimiento de traslación alrededor de la Tierra, de forma que desde la Tierra la cara visible de la Luna es siempre la misma.* Actualmente, las mareas en la Luna hacen que las fuerzas en las rocas varíen cíclicamente por no ser la órbita de la Luna circunferencial sino elíptica. En los materiales, incluso si las fuerzas cíclicas son bajas como para producir una rotura rápida, la repetición a lo largo del tiempo puede acabar dando lugar a una rotura. La variación cíclica de las tensiones en los materiales se conoce como fatiga. Típicamente la fatiga produce un daño acumulativo por formación de microfisuras en el material y puede dar lugar finalmente a su rotura, a pesar de que las mismas tensiones, si se hubieran mantenido constantes, no hubieran producido la rotura. La rotura de rocas en la Luna, a cierta profundidad, puede dar lugar a seismos.
  • Tensiones originadas por los cambios de temperatura entre día y noche: se superponen una variación de temperaturas y una variación de tensiones en el material. Frecuentemente se conoce como fatiga térmica y el resultado es, de nuevo, la acumulación progresiva de microfisuras que puede dar lugar a la rotura final del material.
  • Radiación solar, que puede producir directamente daño por la ruptura de enlaces químicos.

 

Impactos de asteroides y meteoroides y volcanes han dibujado las bellas formas de la superficie lunar, alentando nuestra imaginación. La luna nos permite estudiar en detalle sus antiguas heridas, que a grandes rasgos han permanecido inalteradas durante miles de millones de años, tras el periodo de formación de cráteres y de bombardeo por grandes asteroides. Las mismas antiguas heridas tuvo la Tierra y aparecen actualmente atenuadas o borradas por el desplazamiento y deformación de las placas tectónicas, por la erosión de los agentes atmosféricos e hidrológicos y por la acción de los seres vivos.

 

—————

* De la misma forma, las mareas en la Tierra disipan energía por la fricción de los materiales y el desplazamiento del agua en los océanos y poco a poco se ralentiza la rotación de la Tierra, que acabaría con la misma cara enfrentada a la Luna si hubiera tiempo antes de que se produzcan otros cambios en el Sistema Solar)

Etiquetas:

Estañeno: primeros trabajos para fabricar el nuevo hermano del grafeno

Por G.R. Plaza (UPM)

En el grafeno, los átomos de carbono forman una red bidimensional (ver figura 1) con excelentes propiedades eléctricas y resistencia mecánica. La demostración en 2004 de que era posible fabricarlo despertó un enorme interés y propició que actualmente numerosos grupos trabajen en el desarrollo de aplicaciones de dicho material. Después del grafeno, se han obtenido otros materiales con una estructura bidimensional de panel de abeja como la del grafeno, incluyendo el siliceno (con átomos de silicio), fosforeno (fósforo), germaneno (germanio) y también diferentes combinaciones de láminas.

Figura 1. Representación de una lámina de grafeno, esto es, una lámina formada for átomos de carbono, con un espesor de un átomo.

Recientemente, también se ha predicho la posibilidad de producir láminas bidimensionales de átomos de estaño y que este material, estañeno, tendría excelentes propiedades de conducción de corriente eléctrica sin disipación de calor (ref. 1). Según las predicciones teóricas, el estañeno podría presentar estas propiedades eléctricas a temperatura ambiente, lo que le convierte en un material realmente especial. Este mes se ha publicado un trabajo experimental (ref. 2), llevado a cabo en la Universidad Jiao Tong de Shangái (China) y dedicado a la obtención de estañeno. Para ello, los investigadores vaporizaron átomos de estaño y permitieron que se depositaran sobre un sustrato de telururo de bismuto.

A pesar del avance significativo que ha supuesto este trabajo, ha resultado controvertido (ref. 3), puesto que no está claro que la estructura obtenida sea estañeno.  Además, tampoco se han podido comprobar las buenas propiedades de conducción eléctrica predichas teóricamente, si bien se aduce que ello es debido a que el sustrato de telururo de bismuto no es el adecuado. Por tanto, estos pueden ser los primeros pasos del material que podría mejorar muy significativamente el rendimiento de dispositivos eléctricos (al reducir drásticamente la disipación de calor) y son necesarios ahora nuevos trabajos experimentales para confirmar experimentalmente la fabricación del material y sus excelentes propiedades.

Referencias:

1. Yong Xu, Binghai Yan, Hai-Jun Zhang, Jing Wang, Gang Xu, Peizhe Tang, Wenhui Duan, Shou-Cheng Zhang. “Epitaxial growth of two-dimensional stanene”. Physical Review Letters (2013), 111, 136804. DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.136804

2. Feng-feng Zhu, Wei-jiong Chen, Yong Xu, Chun-lei Gao, Dan-dan Guan, Can-hua Liu, Dong Qian, Shou-Cheng Zhang, Jin-feng Jia. “Epitaxial growth of two-dimensional stanene”. Nature Materials (2015) DOI: 10.1038/nmat4384

3. Chris Cesare. “Physicists announce graphene’s latest cousin: stanene”. Nature (2015), 524, 18. DOI: 10.1038/nature.2015.18113

Etiquetas:

Actividades en ciencia e ingeniería de materiales en el campus de la UPM durante este mes de abril 2015

Las próximas semanas tendrán lugar las siguientes actividades, que pueden resultar especialmente atractivas para los interesados en el campo de la ciencia e ingeniería de materiales:

  • 22 de abril: conferencia sobre inversión en materiales y tecnologías emergentes, a cargo de Dra. María Pilar de Miguel (Ministerio de Economía y Competitividad – Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial) y Dr. Roberto Martínez (Universidad Politécnica de Madrid – Oficina de Proyectos Europeos): más información.
  • 28-30 de abril: Semana de los materiales – Meterials Week, con numerosas actividades: www.campusmoncloa.es/es/eventos/materialsweek-2015 . Los alumnos pueden obtener créditos reconocidos.

Confiamos en que las actividades serán de interés para los seguidores del blog.

Etiquetas:
Categorias: Autor: G.R. Plaza

Mesa redonda: “Entrepreneurship in Materials”, miércoles 18 de febrero de 2014

El servicio de creación de empresas de la Universidad Politécnica de Madrid, actúaupm , en colaboración con el Máster de Ingeniería de Materiales, organiza la jornada “Entrepreneurship in Materials”, que tendrá lugar el próximo miércoles 18 de febrero de 2015 a las 18:00 h.

Round table with top representatives of several companies of different sectors of Materials, including

Chairman: Arístides Senra, OTRI-UPM

Silvia Rodríguez , bq (ICT, 3D printers)

Miguel Holgado, BioD (biotechnology)

Rocío San Román, Micromag (security)

Ambiörn  Wennberg, Nano4Energy (energy)

ETSI Caminos (mapa), Sala de Seminarios. Wednesday, February 18, 2015, 16 h.

enlace: cartel (PDF)

Etiquetas:

El desafío de los nuevos materiales

¿Hay modas en los nuevos materiales?

Responsables de ABENGOA, AIRBUS, CDTI y GRUPO ANTOLÍN debaten en este Punto de Encuentro de la Universidad Politécnica de Madrid (ver vídeo a continuación).

Imagen de previsualización de YouTube
Etiquetas:

Concurso para la iluminación de Barcelona de estas Navidades de 2014

El Ayuntamiento de Barcelona, a través de Barcelona Activa, está promoviendo un concurso para la iluminación de estas Navidades. Una actividad que puede ser de interés para los estudiantes de Ingeniería de Materiales.

El concurso trata de iluminar dos vías principales de la ciudad: la Gran Via de les Corts Catalanes y la calle Aragó (categoría profesional y novel respectivamente). El vencedor de cada una de estas categorías obtendrá un premio de 10.000 euros. El plazo de presentación de este proyecto finaliza el día 04 de julio.

http://encenelnadal.barcelonactiva.cat/es/

¡Os animamos a participar en el concurso!

 

Etiquetas:
Categorias: Autor: G.R. Plaza

Procesado de materiales en ausencia de gravedad

En posts anteriores hemos hablado de las posibilidades de estudio y modificación de la microestructura de los materiales para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, en el caso de materiales poliméricos, formados por largas cadenas moleculares, puede ser interesante y útil obtener un alineamiento de las cadenas en una dirección preferente.

Hoy queríamos proponer el siguiente vídeo motivador e ilustrativo de estas ideas, y de los experimentos en la estación espacial internacional para obtener diferentes microestructuras sin la influencia de la fuerza gravitatoria.

Imagen de previsualización de YouTube
Etiquetas:

Materiales para células solares y eficiencia energética

Por G.R. Plaza

Recientemente la UPM publicaba en su web una interesante entrevista al Profesor Gabriel Sala, galardonado con el premio Becquerel por su trabajo pionero en el desarrollo del sistema fotovoltaico de concentración, y queríamos animar a nuestros lectores a leerla, ya que en ella se hablan de los últimos avances en fabricación de células solares y en las posibilidades de esta tecnología para producir energía de forma renovable.

Como dato muy significativo, actualmente puede conseguirse que la energía consumida en la fabricación de las células sea menos de un 10% de la energía generada a lo largo de la vida útil, si bien este porcentaje era muy superior en las células que se han ido instalando hasta ahora. Además, la eficiencia de las células solares ha ido mejorando a lo largo del tiempo, hasta alcanzar valores entorno al 40%. La eficiencia es la relación entre la potencia máxima que pueden producir las células y la potencia de la radiación solar que reciben (ver figura).

Curva esquemática intensidad-diferencia de potencial para una celda solar comercial de silicio policristalino. Desde el punto de vista eléctrico, las condiciones en las que las células producen la máxima potencia pueden caracterizarse obteniendo la curva intensidad-diferencia de potencial (ver figura). Puesto que la potencia producida es igual al producto de ambas magnitudes, el punto de máxima potencia es aquel en el que dicho producto es máximo.

Exceptuando algunas fuentes energéticas como la nuclear (obtiene energía de la fusión o de la fisión de átomos), la maremotriz (obtiene energía de las mareas) y la geotérmica (extrae calor de la tierra), el resto de fuentes energéticas tienen como origen último la radiación solar (directamente en el caso de la energía solar, indirectamente por la evaporación del agua en el caso de la hidroeléctrica, también indirectamente cuando se queman biocombustibles o combustibles fósiles ya que las plantas obtuvieron energía del sol para producir las moléculas que dan lugar a estos combustibles…). Por lo tanto resulta del máximo interés desarrollar las tecnologías que permiten aprovechar eficientemente la radiación solar como fuente energética. En este sentido, es muy interesante ver la explicación del Prof. David MacKay sobre las limitaciones de las fuentes de energía renovables.

 

 

Etiquetas: