Nano-
tecnologĂa aplicada a la cerĂĄmica
Nano-
tecnologĂa aplicada a la cerĂĄmica
NANOTECNOLOGÍA APLICADA A LA CERÁMICA Este informe ha sido realizado por el equipo del Observatorio Tecnológico Cerámico del Instituto de Tecnología Cerámica (ITC). Esta publicación es el resultado de un importante trabajo de búsqueda y análisis de información así como de reflexión de los autores acerca de la nanotecnología en el sector cerámico, buscando una mayor y mejor comprensión de la importancia que puede tener la misma en este sector. © ITC-AICE, 2009 “Reservados todos los derechos. El contenido de este documento goza de la protección que le otorga la ley, y no podrá ser distribuido, transformado o comunicado públicamente, en todo o en parte, sin la autorización expresa del Instituto de Tecnología Cerámica, AICE.” El Instituto de Tecnología Cerámica, AICE no se hace responsable del uso que se realice de la información contenida en esta publicación. Autores: Vicente Lázaro Magdalena Ana Mateu Roig Yolanda Reig Otero María Prada Marcos Diseño y maquetación: Instituto de Tecnología Cerámica 1a Edición. Noviembre 2009 Impreso por: CMYK PRINT, S.L. C. Emp. La Plana C/ Paulista N22 12550 Almassora Libro financiado por:
There’s plenty of room at the bottom (Richard P. Feynman)
Nanopartículas aplicadas a la cerámica
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ÍNDICE
01 PRÓLOGO............................................................................................................11 02 INTRODUCCIÓN...................................................................................................15 Definición de Nanotecnología.....................................................................................................................................16 El tamaño sí importa. Características de las nanopartículas........................................................................................17 Referencias................................................................................................................................................................19
03 CLASIFICACIÓN DE LOS NANOMATERIALES.......................................................21 Nanomateriales en 3D................................................................................................................................................24 Nanomateriales en 2D................................................................................................................................................24 Nanomateriales en 1D................................................................................................................................................27 Nanomateriales multifase............................................................................................................................................27 Referencias................................................................................................................................................................27
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Nanotecnología aplicada a la cerámica
04 PROCESOS DE OBTENCIÓN DE NANOMATERIALES...........................................29 Obtención de nanopartículas......................................................................................................................................30 Procesos de desintegración (Top-Down o Breaking-Down).........................................................................................31 Procesos de integración (Bottom-Up o Building-Up)...................................................................................................32 Métodos de obtención de nanomateriales porosos ...................................................................................................35 Métodos de obtención de capas nanométricas .........................................................................................................35 Referencias................................................................................................................................................................31
05 SITUACIÓN DE LA NANOTECNOLOGÍA EN ESPAÑA Y EL RESTO DEL MUNDO..........................................................................................39 Situación de la Nanotecnología en el mundo..............................................................................................................40 Situación de la Nanotecnología en España.................................................................................................................44 Referencias................................................................................................................................................................49
Índice
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ÍNDICE
06 PROYECTOS DE I+D+i NACIONALES Y EUROPEOS............................................51 Proyectos nacionales................................................................................................................................52 Proyectos internacionales.........................................................................................................................54 Referencias............................................................................................................................................57
07 APLICACIÓN DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL DESARROLLO DE MATERIALES AVANZADOS........................................................................................59 Materiales con propiedades mecánicas mejoradas.....................................................................................................61 Materiales con propiedades químicas mejoradas........................................................................................................64 Materiales con propiedades térmicas y eléctricas mejoradas......................................................................................65 Materiales con propiedades barrera mejoradas .........................................................................................................67 Materiales con nuevas propiedades funcionales.........................................................................................................69 Materiales inteligentes ...............................................................................................................................................74 Otros productos cerámicos basados en la nanotecnología.........................................................................................72 Referencias................................................................................................................................................................74 8
Nanotecnología aplicada a la cerámica
08 APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL CAMPO DE LA ENERGÍA......83 Combustibles.............................................................................................................................................................84 Energía solar fotovoltaica . .........................................................................................................................................87 Almacenamiento de hidrógeno ..................................................................................................................................89 Pilas de combustible..................................................................................................................................................90 Ahorro energético proporcionado por nanopartículas.................................................................................................91 Energía eólica ............................................................................................................................................................92 Referencias................................................................................................................................................................94
Índice
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01 PRÓLOGO
PRÓLOGO
La industria cerámica, cada día más, se ve envuelta en un mercado difícil, abierto, globalizado y muy competitivo. Si además se considera la entrada masiva de economías emergentes que ofrecen productos a menor precio y la exigencia cada vez mayor del consumidor, es fácil llegar a la conclusión de que es necesaria la especialización y el desarrollo de nuevos materiales que sean capaces de satisfacer las expectativas del consumidor. Una vía para la obtención de estos nuevos materiales con mejores prestaciones es la nanotecnología. Como se pretende mostrar a lo largo del presente estudio, esta rama científico-tecnológica permite y permitirá la obtención de productos de un mayor valor añadido. La nanotecnología destaca por ser una de las tecnologías más relevantes del siglo XXI, principalmente por su potencial económico en la obtención de nuevos y optimizados productos, así como su contribución en la reducción del impacto ambiental y el consumo de recursos.
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Nanotecnología aplicada a la cerámica
Existe un gran consenso en que el desarrollo de la nanotecnología desembocará en una segunda revolución industrial en el siglo XXI, tal como anunció hace unos años Charles Vest (ex-presidente del MIT). Durante los últimos años la Nanotecnología y la Nanociencia se han hecho un hueco en nuestras vidas cotidianas, ocupando un lugar cada vez más relevante en nuestra sociedad y convirtiéndose en una de las líneas principales de investigación en los países avanzados. Aunque todavía no se pueda decir que dicha segunda revolución industrial originada por la nanotecnología esté teniendo lugar en el momento actual, sí es cierto que la fase de las expectativas ha concluido para dar paso a la aparición en el mercado de múltiples productos desarrollados mediante nanotecnología. A finales del año 2007 existían más de 1000 empresas en todo el mundo dedicadas a la fabricación de nanomateriales (protección solar, componentes electrónicos, válvulas cardiacas, pinturas resistentes al rayado, telas anti-arrugas y antimanchas, etc.).
Aplicaciones en el ámbito de la cerámica Teniendo en cuenta la clasificación de los diferentes nanomateriales, e intentando seleccionar las numerosas o casi innumerables aplicaciones de la nanotecnología, el presente estudio recoge, entre otros aspectos, las aplicaciones y oportunidades más destacadas detectadas en los sectores de la construcción, la cerámica, el vidrio y afines. Otro punto importante a destacar es la enorme velocidad con la que aparecen nuevas aplicaciones, por lo que se ha hecho el máximo esfuerzo en presentar un estudio actualizado rigurosamente a la fecha de edición del mismo, aunque se está seguro de su inmediata pérdida de actualidad debido a dicha velocidad de innovación. Las aplicaciones presentadas han sido filtradas atendiendo a criterios de aplicación propios de las empresas del sector cerámico. No obstante, y teniendo en cuenta el momento actual, no se han descartado aquellas opciones que permitan vislumbrar una posibilidad de diversificación en producto o proceso, contribuyendo así a una nueva forma de pensar en la concepción y desarrollo de producto del sector. Estos ejemplos corresponden a desarrollo de nuevos materiales avanzados, buscando en la nanotecnología mejoras en las propiedades de los mismos (térmicas, mecánicas, químicas, funcionales, etc.) y cuestiones energéticas.
Prólogo
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02 INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
Definición de Nanotecnología El prefijo “nano-” corresponde a una milmillonésima parte y se aplica a cualquier unidad de medida, como por ejemplo de tiempo (nanosegundo), volumen (nanolitro), peso (nanogramo) y longitud (nanómetro). En el ámbito de la nanotecnología, el prefijo nano suele emplearse para dimensiones longitudinales y corresponde a la millonésima parte de un milímetro. 1 micrómetro = 10-6 m 1 nanómetro = 10-9 m
Se han localizado en la bibliografía consultada diversas definiciones de nanotecnología, pero tal vez la más adecuada y completa sea la que se propone en la comunicación de la Comisión Europea titulada “Hacia una estrategia europea para las nanotecnologías”:
“La nanotecnología es una ciencia multidisciplinar que se refiere a las actividades científicas y tecnológicas llevadas a cabo a escala atómica y molecular, así como a los principios científicos y a las nuevas propiedades que pueden ser comprendidos y controlados cuando se interviene a dicha escala.” Por lo tanto, todo nanomaterial o nanoestructura está constituido por materia a nanoescala, es decir, que al menos una de sus dimensiones se encuentre en el intervalo nanométrico. Para hacerse una idea de la escala “minúscula” de la que se está hablando, decir que un cabello humano tiene un espesor entre 50.000nm y 100.000nm.
Red de nanotubos de carbono junto a un fragmento de cabello humano (Imagen: Jirka CECH)
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Nanotecnología aplicada a la cerámica
El tamaño sí importa. Características de las nanopartículas El tamaño de partícula es la información más importante en las aplicaciones prácticas de materiales pulverulentos. Normalmente los polvos están constituidos por partículas de diferentes tamaños. Por esta razón es tan importante conocer tanto el tamaño medio de partícula, como su distribución granulométrica, para la caracterización del material.
Tamaño de diferentes estructuras químicas y biológicas. (Fuente: Springer handbook of nanotechnology, 2007)
Introducción
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NanotecnologĂa aplicada a la cerĂĄmica
El tamaño nanométrico de las partículas que conforman un material puede influir drásticamente en las propiedades del producto final, e incluso aportar nuevas propiedades que no se presentan a mayor escala. Algunas de estas propiedades son: ·· Propiedades morfológicas y estructurales ·· Propiedades térmicas ·· Propiedades electro magnetismo ·· Propiedades ópticas ·· Propiedades mecánicas A escala tan pequeña, las fuerzas débiles (fuerzas de Van del Waals) entre las partículas cobran gran importancia frente a las fuerzas másicas (gravedad), manteniéndolas unidas y dificultando su manipulación. Estas fuerzas entre partículas condicionan el comportamiento del material, resultando complicado mantener las partículas dispersas en una suspensión, así como el prensado de lechos constituidos por este material. Se hace necesario el uso de aditivos que las mantengan individualizadas, bien sea por fuerzas estéricas, electrostáticas o la combinación de ambas. Como ya se ha comentado, las propiedades físicas y químicas de los materiales se modifican cuando se trasladan a escala nanométrica, dando lugar a fenómenos y propiedades totalmente nuevos. Por ejemplo, varía la conductividad, reactividad, resistencia, color, etc. y presentan un comportamiento diferente que el mismo material con un tamaño mayor.
Por lo tanto, en función de la propiedad que se considere, reducir el tamaño a escala de nanómetros presenta ventajas e inconvenientes. Al trabajar con partículas nanométricas se aumenta en gran medida la fuerza de adhesión entre ellas, favoreciendo así la formación de aglomerados. Estos aglomerados pueden mejorar la fluidez del material pulverulento, pero a su vez disminuye la capacidad de conseguir una suspensión estable, lo cual en ocasiones supone un problema, como es el caso de la estabilidad de las tintas pigmentadas para decoración por inyección de chorro de tinta.
Referencias BHUSHAN, B. (Ed.). Springer handbook of nanotechnology. 2nd ed. Berlin: Springer, 2007. HOSOKAWA, M. et al. (Eds.). Nanoparticle technology handbook. Amsterdam: Elservier, 2007. RODUNER, E. Nanoscopic materials: size-dependent phenomena. Cambridge: Royal society of chemistry, 2006. Ten things you should know about nanotechnology [en línea]: definition and usage of the term. http://www.nanowerk.com/nanotechnology/ten_things_ you_should_know_2.html [Consulta: 2009-09-25] THEODORE, L. Nanotechnology: basic calculations for engineers and scientists. Hoboken: Wiley and sons, 2006. WILSON, M. et al. Nanotechnology: basic science and emerging technologies. Boca Raton: CRC press, 2002.
Son dos las razones principales que conllevan este cambio drástico de las propiedades: el incremento importante que se produce de la superficie específica (incrementando la reactividad) y la explicación de los fenómenos que tienen lugar por la física cuántica, y no la clásica como habitualmente. Los cambios en las propiedades de los materiales al reducir el tamaño de partícula a estos niveles pueden ser tan drásticos como, por ejemplo, el comportamiento colorimétrico del oro que pasa a ser rojo a esta escala reducida, o el paladio que presenta propiedades magnéticas, o los semiconductores, los cuales emiten luz en todo el espectro del arco iris.
Introducción
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03 CLASIFICACIÓN DE NANOMATERIALES
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Nanotecnología aplicada a la cerámica
Clasificaci贸n de nanomateriales
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