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EVOLUCIÓN

DE LOS MATERIALES

EN LA INFORMÁTICA

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1. Generaciones en los ordenadores. (materiales que utilizan).

2. Evolución de la tecnología de los semiconductores.

3. Nuevos Materiales.

4. Nano materiales y Nano tecnología.

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ANTECEDENTES - Mecánica

Hasta los años 70 fueron las calculadoras mecánicas las que reinaron tanto en las empresas como en la universidad.

Año : 1908

Calculadora mecánica MADAS (Multiplication, Automatic Division, Addition and Substraction)

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• Año : Década de los 40

• Calculadora electromecánica de teclado completo, basada en el mecanismo del cilindro escalonado de Leibniz, con división automática y directa (accionada por una tecla, sin tener que girar ninguna manivela), gracias al motor interno que incorpora.

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ANTECEDENTES – Mecánica y motor

Año : 1950

Ejemplar de las denominadas “máquinas de contabilidad” o "máquinas de registro”, que eran una combinación de máquina de escribir y de máquina sumadora. Permitía escribir la descripción y las cantidades de los asentamientos contables, a la vez que podía grabar en sus diversos registros-acumuladores las cantidades parciales intermedias. Con estas máquinas se podían mantener los libros habituales de la contabilidad.

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ANTECEDENTES - Electro-mecánica

Origen de la informática

El inicio de la informática se puede situar a principio de los 50.

Los ordenadores se construían utilizando dispositivos electromecánicos, como los relés, y dispositivos electrónicos básicos como las válvulas, las resistencias y los condensadores.

No tenían pantalla, ni teclado, ni sistema operativo, y su programación se hacía a base de tarjetas perforadas o recableando las conexiones entre sus componentes.

En esa época ordenadores como el Mark Y o el ENIAC; ocupaban toda una sala, pesaban varias toneladas y tardaban una decena de segundos al hacer una división.

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Eniac 1946 (30 toneladas.)

Alan Turing

La división en generaciones de los ordenadores obedece a desarrollos tecnológicos y a los componentes incorporados en cada una de ellas, lo que determina sus capacidades.

La diferencia entre la primera y la segunda se caracteriza por el paso de las válvulas de vacio al transistor. Un material semiconductor el silicio, se utiliza para crear el transistor.

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Las demás generaciones se diferencian por la tecnología de integración de los componentes de silicio, en la tercera aparece el circuito integrado y en la cuarta el microprocesador. En la quinta generación el tamaño del transistor de silicio se reduce a escala manométrica

Ordenadores – Generaciones

Los primeros ordenadores digitales de la década de los 40, utilizaban válvulas de vacío y relés para implementar los circuitos básicos.

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Dos biestables implementados con dos válvulas de vacío, Representan 2 bits de información. Dos biestables implementados con relés, cada uno de ellos representa 1 bit.

1ª generación (1945-1958)


Válvulas de vacio.

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CARACTERISTICAS PRINCIPALES: Válvula electrónica (tubos al vacío.) Alto consumo de energía. El voltaje de los tubos era de 300 v y la posibilidad de fundirse

era grande. Generaban gran cantidad de calor Eran sumamente lentas. Almacenamiento de la información en tambor magnético ,los datos y los programas que

se le suministraban mediante tarjetas. Lenguaje de máquina. La programación se codifica en un lenguaje muy rudimentario

denominado lenguaje de máquina.

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• El transistor de silicio. A finales de la década de los 50, el transistor reemplazó la válvula de vacío, lo cual produjo una disminución drástica del tamaño, del precio de venta y del coste de venta y mantenimiento de los computadores.

• Con esto se da un paso decisivo, no sólo en la computación, sino en toda la electrónica.

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• Placas de procesado de tecnología "Resistor Transistor Logic", que fueron los primeros circuitos digitales implementados con transistores.

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CARACTERISTICAS PRINCIPALES

Transistor. El componente principal que sustituye a las válvulas de vacio.

Disminución del tamaño, 200 transistores podían acomodarse en la misma cantidad de espacio que un tubo al vacío .

Disminución del consumo y de la producción del calor.

Su fiabilidad alcanza metas imaginables respecto a los efímeros tubos al vacío.

Mayor rapidez ala velocidades de datos.

Memoria interna de núcleos de ferrita.

Instrumentos de almacenamiento.

Mejora de los dispositivos de entrada y salida.

Introducción de elementos modulares.

Lenguaje de programación más potente.

Se desarrollaron nuevos lenguajes de programación

como COBOL y FORTRAN.

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El circuito integrado. En esta época se desarrollan los circuitos integrados (chip).

Cada pastilla contiene miles o millones de componentes electrónicos entre transistores, diodos y resistencias.

Los chips de circuitos integrados tienen la ventaja, respecto de los transistores, de ser más confiables, compactos y de menor costo.

Las técnicas de producción masiva han hecho posible la fabricación de circuitos integrados de bajo costo.

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3ª generación (1964 - 1971)

El ordenador IBM-360 dominó las ventas de la tercera generación de ordenadores desde su presentación en 1965.

El PDP-8 de la Digital Equipment Corporation fue el primer miniordenador

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Se desarrollaron circuitos integrados.

Surge la multiprogramación. Las computadoras pueden llevar a cabo tareas de procesamiento o análisis matemáticos.

Emerge la industria del "software".

Otra vez las computadoras se tornan más pequeñas, más ligeras y más eficientes.

Consumen menos electricidad, y por lo tanto, generan menos calor.

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El microprocesador. Esta generación se caracteriza por las nuevas tecnologías de fabricación: LSI (Large Scale Integration), y VLSI (Very Large Scale Integration) que hizo posible aglutinar miles de transistores en un solo circuito integrado.

Esta integración hace posible el desarrollo del microprocesador.

Basados en los microprocesadores se desarrollan los denominados como microordenadores, ordenadores personales o PC. Su enorme desarrollo provocan la llamada "revolución informática".

Se desarrollan las supercomputadoras.

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Incorporan el microprocesador.

Se colocan más circuitos dentro de un "chip". Tecnologías LSI y VLSI.

Cada "chip" puede hacer diferentes tareas: CPU, memorias, DMA, PIC, FDC, Timer.

Se reemplaza la memoria de anillos magnéticos por la memoria de "chips" de silicio.

Se desarrollan los sistemas basados en la arquitectura PC.

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En los inicios de los años 70, se comenzaron a fabricar ordenadores en serie.

• Terminal Digital VT52

• Septiembre 1975.

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• Año : 1983 RAM : 256 MB

• El VAX 8600 fue el primer VAX implementado con tecnología ECL. (extensible high-level programming language)

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1981

IBM PC

Arquitectura x86, ISA de 8 bits, Procesador Intel 8088 @ 4,77 MHz

Memoria16 KB ~ 640 K

Sistema de audio: Generación de tonos por altavoz

Sistema gráfico MDA y CGA

Sistema operativo PC-DOS 1.0

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Macintosh Año : 1984 Primer ordenador con interfaz gráfica comercial Disco : Una disquetera de 3,5", 400Kb por disco Sistema Operativo : Macintosh System 1.0 Puertos : 2x Serial RS232/422, mouse, teclado y sonido

CPU : Motorola 68000 (7.83 Mhz) RAM : 512 Kb ROM : 64 Kb

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Año : 1982 Commodore 64 CPU : MOS 6510 (1Mhz, 8 bits) Disco : 170 Kb por disco y el lector/reproductor de casetes Sistema Operativo : CBM BASIC 2.0

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ZX Spectrum Año : 1982 CPU : Zilog Z-80 (3.5 Mhz, 8 bits) RAM : 16/48 Kb ROM : 16 Kb Disco : Opcional (casete y microdrives) Sistema Operativo : BASIC Puertos : Puerto de expansión, casete (1200 baudios) y RF television out

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Sobre la arquitectura PC de IBM como estándar y la tecnología de integración de componentes a escalas insospechadas, se desarrolla enormemente la microinformática.

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Ordenadores – 5ª generación (1984)


Esta generación de ordenadores no se caracteriza por el cambio de sus componentes en sí, pero hay elementos externos que cambian sustancialmente, como por ejemplo

o Las comunicaciones que sustituyen los cables de cobre por fibra óptica,

o Los condensadores electrolíticos, que pueden disminuir su tamaño gracias al Tántalo (coltán).

Aunque la tecnología sigue basada en silicio se incrementa enormemente la integración de transistores, pasando de una escala micrométrica a manométrica.

Entre las causas que han motivado el enorme auge de esta generación están las siguientes:

o Internet, que se ha convertido en una herramienta imprescindible en la sociedad.

o Los sistemas operativos gráficos.

o Los videojuegos, con las consolas de última generación.

o La telefonía móvil en su última generación: los smartphone.

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Ordenadores – 5ª generación (1984)

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Evolución de la tecnología de los semiconductores

Los circuitos integrados.

• El año 1959, construyeron el primer circuito integrado (chip). Un circuito integrado es un circuito electrónico miniaturizado, fabricado con finas capas de material semiconductor.

• Los primeros chips contenían unas decenas de transistores, a los que se llama circuitos de baja escala de integración.

• En la actualidad los chips tienen más de 10.000.000.000 de transistores.

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En los últimos 50 años la ciencia y la tecnología han hecho posible pasar de los ordenadores “gigantes”, a los de hoy en día, enormemente mas pequeños y de prestaciones incomparables. Este salto ha sido posible gracias al transistor, a los circuitos integrados y a los dispositivos de almacenamiento de datos magnético, sólidos y ópticos.

Circuitos integrados

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Procesador Fecha Número de

transistores

Tamaño

transitor en

micras

Area en mm² Transistores

por mm²

4004 1971 2.300 10 12 192

8008 1972 3.500 10 14 250

8080 1974 6.000 6 20 300

8086 1979 29.000 3 33 879

80286 1982 134.000 1,5 49 2.735

386 DX® 1986 275.000 1 104 2.644

486 DX® 1989 1.185.000 0,8 173 6.850

Pentium® 1993 3.100.000 0,8 294 10.544

PentiumII® 1997 7.500.000 0.35 195 38.462

Pentium III 1999 9.500.000 0,25 128 74.219

Pentium 4 2000 42.000.000 0,18 217 193.548

Core 2 Duo 2006 291.000.000 0,065 143 2.034.965

Core i7 2008 731.000.000 0,045 263 2.779.468

Six-Core i7 2010 1.170.000.000 0,032 240 4.875.000

8-Core Xeon 2011 2.270.000.000 0,032 434 5.230.415

62-Core Xeon Phi 2012 5.000.000.000 0,022 312 16.025.641

Actualmente 10.000.000.000 0,014

Desarrollo De Los Microprocesadores Intel

Evolución de la integración

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Evolución de las Prestaciones

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Evolución de los Precios

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Evolución de los Precios

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Evolución de la tecnología Coches

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El número de transistores que caben en un chip se ha multiplicado por 2 millones en cuarenta años, ¿ se imaginan un avión o un barco que hubiera progresado en la misma proporción ?. En el mismo periodo la velocidad a la que pueden trabajar se ha multiplicado por mas de 1.000, en el caso de haberse producido ese mismo avance en un avión, de Madrid a New York se tardaría 1 minuto. En el mismo caso la velocidad de un coche sería de 19.000 Kph El precio de la memoria, desde 1980 que se empezó a utilizar masivamente, se ha dividido por 2.000. Un lavavajillas costaba en esa fecha 45.800 ptas., en la misma proporción hoy costaría 0,14€. Objetivo: menor tamaño, mayor velocidad y menor precio.

Comparativa

¿NUEVA ERA?

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Tecnología actual: 0,014 micras 14 nanómetros 14000 picómetros Átomo silicio: 0,00011 micras 0,11 nanómetros 110 picómetros Aunque no se puede asegurar, ya pasó anteriormente con las tecnologías submicrónicas, parece que la litográfica y las posibilidades físicas del silicio están llegando a su limite. Nuevos desarrollos con estas tecnologías y materiales requerirían grandes inversiones y no apartarían sustanciales avances. Para dar un salto cualitativo en la capacidad de integración se necesita:

Nuevos materiales. Nuevas tecnologías para manipularlos.

¿Sexta generación

o

Segunda revolución? (la primera fue la del silicio)

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• Semiconductores: Materiales como el silicio, galio o selenio, arseniuro de galio, etc., cuya resistencia al paso de la corriente depende de factores como la temperatura, la tensión mecánica, polarización eléctrica o el grado de iluminación que se aplica. Con ellos se fabrican microchips para ordenadores y circuitos de puertas lógicas.

• Superconductores: Materiales como el mercurio por debajo de -269º de temperatura, nanotubos de carbono, aleaciones de niobio y titanio, cerámicas de óxidos de itrio, bario y cobre, etc., que al no oponer resistencia al paso de la corriente eléctrica, permiten el transporte de energía sin pérdidas.

• Piezoeléctricos: Materiales como el cuarzo, la turmalina, cerámicas y materiales plásticos especiales, dotados de estructuras micro cristalinas, que poseen la capacidad de transformar la energía mecánica en eléctrica y viceversa. Se utilizan como sensores y actuadores en dispositivos electrónicos como relojes, encendedores, micrófonos, radares, etc.

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Nuevos Materiales

• La fibra óptica: son fibras constituidas por un núcleo central de vidrio muy transparente, dopado con pequeñas cantidades de óxidos de germanio o de fósforo, rodeado por una fina capa de vidrio con propiedades ópticas ligeramente diferentes. Atrapan la luz que entra en ellas y la transmiten casi íntegramente.

• Materiales inteligentes:

o Un polímero electroactivo es un polímero que cambia sus propiedades en respuesta a la presencia de un campo eléctrico.

o Materiales con efecto térmico de memoria: Tienen la capacidad de cambiar su forma o deformarse de forma controlada al alcanzar cierta temperatura.

o Materiales con efecto magnético de memoria y con magnetostricción: Tienen la capacidad de cambiar su forma, o deformare en forma controlada en presencia de campos magnéticos. Los segundos además tienen la propiedad inversa de modificar su magnetización bajo la presencia de tensión mecánica.

o Polímeros sensitivos al pH: Varían su tamaño en respuesta a cambios en el pH del medio que los rodea.

o Halocromía: La capacidad de variar su color como resultado del cambio de acidez.

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Nuevos Materiales

• Materiales con memoria de forma: materiales como las aleaciones metálicas de níquel y titanio, variedades de poliuretano y polietileno capaces de «recordar» la disposición de su estructura espacial y volver a ella después de una deformación. Se utilizan en sistemas de unión y separación de alambres dentales para ortodoncia, películas protectoras adaptables y válvulas de control de temperatura.

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Nuevos Materiales

• Siliconas: Polímeros en los que las cadenas están formadas por silicio en lugar de carbono. Son materiales muy flexibles, ligeros y moldeables. Son aislantes del calor y de la electricidad y no les afectan ni el agua, ni las grandes variaciones de temperatura. No sufren rechazo en tejidos vivos. Se usan para fabricación de revestimientos exteriores, tapar y sellar grietas, fabricación de prótesis e implantes, material quirúrgico, cirugía estética, etc.

• Aerogeles: o el humo helado es una sustancia similar al gel, en el cual el componente líquido es cambiado por un gas, obteniendo como resultado un sólido de muy baja densidad y altamente poroso, con ciertas propiedades muy sorprendentes, como su enorme capacidad de aislante térmico. El aerogel se puede fabricar a partir de muy diferentes materiales por ejemplo: sílice, circonio, alúmina, óxido de cromo, estaño y carbono. El aerogel tiene varias aplicaciones comerciales, aunque principalmente ha sido utilizado como aislante térmico en las ventanas.

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Nuevos Materiales

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The values are in picometers (pm or 1×10−12 m,)

Evolución de la tecnología de los semiconductores. Nuevos Materiales

Star Treck

El carbono es un elemento químico de número atómico 6 y símbolo C

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El carbono

El carbono es un elemento notable por varias razones. Sus formas alotrópicas incluyen, sorprendentemente, una de las sustancias más blandas (el grafito) y la más dura (el diamante) y, desde el punto de vista económico, es de los materiales más baratos (carbón) y uno de los más caros (diamante). Entre las diferentes formas cabe destacar: Carbón, Grafito, Diamante, -> Grafeno, Fulereno, Carbino, Nanotubo.

• El carbono constituye 0.2% de la corteza terrestre y es uno de los elementos químicos más importantes para la vida en nuestro planeta, ya que forma parte de todos los seres vivos conocidos.

• En la actualidad se conocen cerca de 16 millones de compuestos que contienen carbono, y este número aumenta en unos 500 mil compuestos por año.

• El carbono puede convertirse en materiales con cualidades únicas que están cambiando toda la industria, pues no solo son más resistentes que el acero, sino que son extremadamente livianos, excelentes conductores eléctricos, que los hacen imprescindibles en la electrónica.

Fulereno (Fullereno)

Nano tubo

Grafeno

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El carbono

Fibras de Carbono

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La fibra de carbono se incluye en el grupo de los materiales compuestos, es decir, aquellos que están hechos a partir de la unión de dos o más componentes, que dan lugar a uno nuevo con propiedades y cualidades superiores, que no son alcanzables por cada uno de los componentes de manera independiente. En el caso particular de la fibra de carbono, básicamente se combina un tejido de hilos de carbono (refuerzo), el cual aporta flexibilidad y resistencia, con una resina termoestable (matriz), comúnmente de tipo epoxi, que se solidifica gracias a un agente endurecedor y actúa uniendo las fibras, protegiéndolas y transfiriendo la carga por todo el material; por su parte el agente de curado ayuda a convertir la resina en un plástico duro.

Las fibras de carbono son muy pequeñas y sumergidas en un polímetro de soporte resultan un material muy liviano y sumamente resistente. Si uno lo observa a través de un microscopio, una fibra de carbono (cuyo diámetro es la centésima parte de un milímetro) es muchísimo más fino que un cabello humano.

Características y aplicaciones de las fibras de carbono

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El Grafito

El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono. Se encuentra en yacimientos naturales y se puede extraer, pero también se produce artificialmente.

Comenzó a explotarse a mediados del siglo XVI cuando se produjo el descubrimiento de la primera mina de este material que era desconocido hasta momento. El principal productor mundial de grafito es China, seguido de India y Brasil

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Propiedades Es de color negro con brillo metálico, refractario y se exfolia con facilidad. En la dirección perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad baja y que aumenta con la temperatura, comportándose pues como un semiconductor. A lo largo de las capas la conductividad es mayor y aumenta proporcionalmente a la temperatura, comportándose como un conductor semimetálico.

Aplicaciones

• Se utiliza para hacer la mina de los lápices. • El grafito se emplea en ladrillos, crisoles, etc. • Al deslizarse las capas fácilmente en el grafito, resulta ser un

buen lubricante sólido. • Se utiliza en la fabricación de diversas piezas en ingeniería, como pistones,

juntas, arandelas, rodamientos, etc. • Este material es conductor de la electricidad y se usa para

fabricar electrodos. También tiene otras aplicaciones eléctricas, como los carbones de un motor, que entran en contacto con el colector.

• Se emplea en reactores nucleares, como moderadores y reflectores. • Es usado para crear discos de grafito parecidos a los de discos vinilo salvo

por su mayor resistencia a movimientos bruscos de las agujas lectoras. • En homeopatía es utilizado como medicamento, el cual, después de ser

extraída la tintura madre, diluida y dinamizada, se utiliza para tratar enfermedades como tristeza, inquietud, llanto fácil, desesperación,..

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Nuevas Aplicaciones

En las pilas de ion-litio. Estas baterías utilizan en su fabricación diez veces más grafito que litio, no importa cuál sea su aplicación concreta.

Científicos de la Universidad Monash (Australia) han obtenido importantes avances en la combinación de dos materiales ordinarios: el grafito y el agua, con los que han desarrollado sistemas de almacenamiento de energía capaces de equiparar el rendimiento de las baterías de Iones de Litio. Este trabajo no sólo es importante porque involucra dos elementos abundantes y baratos que la naturaleza nos brinda, sino que además ofrece otras ventajas como la recarga en cuestión de segundos y una vida útil casi indefinida.

A partir de él se puede crear Grafeno.

Estiman que el mercado mundial del grafito alcanzará los 7.500 millones de dólares en 2015.

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Producción en España

• La producción de grafito natural cesó en 1961, año en que se extrajeron 275 t en la mina Coto Guadamur (Toledo). El grafito se presenta ligado a las rocas ultrabásicas de la serranía de Ronda (Málaga), bien en diques ácidos, bien en lerzolitas con sulfuros de Fe-Ni-Cu (mina Marbella, en Benahavis, en el macizo peridotítico de Sierra Bermeja; se calcula que entre 1749 y 1854 esta mina produjo 150 kt de grafito de alta calidad), o asociado a rocas metamórficas cambrianas y precambrianas (Almonaster la Real, Huelva; mina Carlos, explotada entre 1926 y 1930) o silúricas (mina La Española, en Polán, Toledo; sierra de Ayllón, Segovia).

• Sin embargo, el potencial minero nacional parece ser considerable (5º país europeo según el USBM), a juzgar por los numerosos yacimientos e indicios localizados, aunque en general poco investigados.

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Investigación en España

Investigadores del Instituto Nacional del Carbón (CSIC) han desarrollado una tecnología para obtener grafeno a partir de coque (combustible sólido formado por la destilación de carbón

bituminoso calentado a temperaturas de 500 a 1100 °C sin contacto con el aire).

Esta técnica, evita el uso del grafito como material precursor y abarata los costes de producción al reducir el consumo de energía

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El grafeno

El grafeno es un nuevo material manométrico bidimensional, obtenido a partir del grafito en 2004 por los científicos Andre Geim y Konstantin Novoselov, es una hojuela cuasi plana con pequeñas ondulaciones, dando la apariencia de un panal de abejas, con un grosor de un átomo de carbono (0,1nm).

Posee unas extraordinarias propiedades, las cuales vislumbran que serán de gran utilidad en computación, electrónica entre otros muchas.

Su producción fuera de laboratorios ha comenzado. Graphenano, una fábrica murciana, genera hasta 45 kilos al día y podría llegar hasta los 900 .

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Características 1

Alta conductividad térmica. Conduce muy bien el calor, la conductividad térmica es elevada en los metales, pero muy baja en el resto de los materiales, por lo general. La excepción a esto es el grafeno.

Alta conductividad eléctrica. Conduce mucho mejor la electricidad que el cobre, material que habitualmente se utiliza como base de los cables. Por otra parte, necesita una menor cantidad de electricidad para transportar energía que la mayoría de los materiales empleados actualmente, como es el caso del silicio.

Alta elasticidad (deformable). Esto hace que se pueda aplicar en muy diferentes superficies, a las que aumentará la durabilidad.

Alta dureza (resistencia a ser rayado).

Alta resistencia. El grafeno es aproximadamente 200 veces más resistente que el acero, similar a la resistencia del diamante, pero es muchísimo más ligero. Es decir, que hablamos de un material muy resistente al desgaste y que puede soportar grandes pesos. Se estima que para atravesar una lámina de grafeno con un objeto afilado sería necesario establecer un peso sobre él de aproximadamente cuatro toneladas.

Es más flexible que la fibra de carbono pero igual de ligero.

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Características 2

La radiación ionizante no le afecta. En la actualidad, los materiales que se encuentran alrededor de los aparatos que emiten radiaciones ionizantes se desgastan muy pronto, lo que supone un coste muy elevado que se podría ahorrar con su construcción con grafeno.

Presenta un bajo efecto Joule (calentamiento al conducir electrones).

Para una misma tarea el grafeno consume menos electricidad que el silicio.

Es capaz de generar electricidad por exposición a la luz solar.

El grafeno es un material prácticamente transparente. Esto permitiría su utilización para crear pantallas mucho más ligeras. Si lo unimos a otras de sus propiedades como es el caso de la flexibilidad, una de sus aplicaciones sería la de la creación de pantallas plegables o enrollables.

Es muy denso y no deja pasar al helio en forma gaseosa, sin embargo si deja pasar el agua, la cual, encerrada en un recipiente de grafeno, muestra una velocidad de evaporación similar a la que muestra en un recipiente abierto.

Reacciona químicamente con otras sustancias: Esto le permite servir de base para la creación de materiales nuevos o introducir impurezas dentro de su estructura para modificar las propiedades originales del grafeno, lo que abre un abanico prácticamente ilimitado de campos de aplicación.

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Características 3

Otras características aún en discusión son:

La capacidad de auto enfriamiento descrita por investigadores de la Universidad de Illinois .

La capacidad de auto-reparación. Si una capa de grafeno pierde algunos átomos de carbono por cualquier motivo, los átomos cercanos al hueco dejado se acercan y cierran dicho hueco, esta capacidad de auto-reparación podría aumentar la longevidad de los materiales fabricados con grafeno, aunque de forma limitada.

Efecto antibacteriano: Al estudiar el comportamiento del grafeno con organismos vivos, se comprobó que las bacterias no crecen en él, lo que abre las posibilidades de su utilización en la industria alimentaria o en la biomedicina.

Uno de los últimos hallazgos proviene de un equipo de físicos de EE.UU. (Universidad de Harvard ) y Alemania (Instituto Max-Planck de Física del Estado Sólido), que han descubierto en el grafeno lo que llaman “efecto Hall cuántico fraccionario” (FQHE).

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¿Hay algo que no pueda hacer el grafeno?

Sus propiedades son realmente extraordinarias y en parte por que se ha convertido en un tema “de moda” entre los físicos, el grafeno es noticia prácticamente todos los días.

Miles de laboratorios alrededor del mundo se encuentran trabajando con este material, buscando aplicaciones prácticas (y rentables patentes) por lo que no es extraño que periódicamente se le descubran nuevas propiedades.

Hace algunos años se necesitaba un equipo bastante complejo para producir grafeno, pero los científicos han mejorado los procesos necesarios para obtener esta molécula compuesta por átomos de carbono.

Le faltaba ser magnético pero….

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El transistor de Grafeno

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Tienen importantes aplicaciones en electrónica como en la construcción de transistores de grandes frecuencias que permitirían aumentar la velocidad de los procesadores. El grafeno tiene el potencial para hacer transistores que sean capaces de funcionar a velocidades del orden de los Terahertz y que podrían en un futuro, no muy lejano, reemplazar al silicio como base para los microprocesadores utilizados en ordenadores

Una característica que se explota en el grafeno es que los electrones pueden viajar con mucha libertad a lo largo de todo el enrejado, a semejanza de lo que ocurre con los metales, convirtiéndolo en un excelente conductor eléctrico y además desde el punto de vista químico todo el enrejado se comporta como una única molécula, una macro-molécula o súper-molécula.

Primer integrado de Grafeno

Hasta el momento, muchos han sido los equipos de investigación que han construido transistores de grafeno. De hecho, el equipo de IBM, el año pasado mostró un desarrollo que operaba a 100GHz, esto es, más del doble de rápido que un transistor de silicio de dimensiones comparables.

IBM creó un procesador basado en el grafeno, una estructura laminar plana de un átomo de grosor compuesta por átomos de carbono en forma de panal de abeja, que se puede ejecutar 100 mil millones de ciclos por segundo (100GHz), casi cuatro veces la velocidad de los chips actuales fabricados con silicio.

El circuito integrado está construido sobre una oblea de carburo de silicio y se compone de transistores de efecto de campo (FET) hechos de grafeno, un conductor muy delgado y con una composición alta de carbono que se resume en una sola capa atómica de espesor.

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Fulereno

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El fulereno es la tercera forma molecular más estable del carbono, tras el grafito y el diamante. La primera vez que se encontró un fulereno fue en 1985. Su naturaleza y forma se han hecho ampliamente conocidas en la ciencia y en la cultura en general, por sus características físicas, químicas, matemáticas y estéticas. Se destaca tanto por su versatilidad para la síntesis de nuevos compuestos como por la armonía de la configuración de las moléculas con hexágonos y pentágonos

Se presentan en forma de esferas, elipsoides o cilindros.

Buckyesferas

• Los fulereno esféricos reciben a menudo el nombre de buckyesferas y los cilíndricos el de buckytubos o nanotubos. Reciben su nombre de Buckminster Fuller.

60 Vista del pabellón americano de la Expo 67, por R. Buckminster Fuller, ahora la Biosphère, en la Île Sainte-Hélène, Montreal.

¿Para qué sirven?

• Independientemente de su caprichosa estructura tridimensional, su extraordinaria belleza y su importancia para la química del carbono, los fulerenos son moléculas que resultan tener gran importancia por sus aplicaciones en las ciencias de materiales, la nanotecnología y la optoelectrónica, e incluso se ha demostrado que pueden tener importantes aplicaciones en la medicina.

• Desafortunadamente, debido a la capacidad tecnológica con la que se cuenta en estos momentos no ha sido posible la síntesis específica de fulerenos de un cierto tamaño, y únicamente hemos sido capaces de obtener cantidades apreciables de C60 y, en menor cantidad, de C70 en forma pura, por lo que toda la investigación en fulerenos se halla centrada en estos dos.

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Estructuras de los fulerenos (de

izquierda a derecha y de arriba abajo, C20, C60, C70, C76, C82, C100 y C520).

Aplicaciones

• Permite fabricar dispositivos que imiten los procesos fotosintéticos que ocurren en las plantas y obtener así celdas solares.

• A pesar de que muchos de los mecanismos de inhibición bacterial y viral no están comprendidos del todo, el uso de los fulerenos en la medicina representa uno de los campos de investigación más atractivos, alentadores y promisorios del momento.

• Puede empleársele como un agente protector de las células o para reducir el estrés oxidativo; además, cuando se fotoirradia el fulereno C60 puede producir radicales, por lo que también puede ser utilizado en las terapias fotodinámicas.

• Los fulerenos pueden ser sistemas potencialmente interesantes para la liberación controlada de fármacos. Un ejemplo de ello es el derivado del fulereno denominado metanofulereno, que, unido ciertos fármacos que se utilizan contra el cáncer, ha demostrado una importante actividad en los tejidos tisulares y la liberación lenta y prolongada del fármaco.

• Una de las aplicaciones médicas de los fulerenos es la actividad antibacterial y antiviral que estas moléculas poseen. Los estudios más recientes con los derivados de las sales de fulereno pirrolidínico revelan que se han obtenido buenos resultados con células CEM (células derivadas de glóbulos blancos) infectadas con VIH a través de un mecanismo todavía no identificado.

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Nanotubos

Se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono.

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Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma. Dependiendo del grado de enrollamiento y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna. Los nanotubos conformados como si las esquinas de un folio se uniesen por sus extremos formando un canuto, se denominan nanotubos monocapa. Existen también nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de tubos concéntricos, incluidos unos dentro de otros, que se denominan nanotubos.

Los nanotubos son nanomateriales con estructura tubular, construidos con carbono, tiene comportamiento eléctrico semiconductor y superconductor, con enorme resistencia a la tensión, muy superior al acero, y con una gran capacidad para conducir el calor.

Sus aplicaciones están en fase experimental y se espera que puedan utilizarse para fabricar componentes electrónicos más reducidos y eficaces, estructuras de gran resistencia y ligereza en arquitectura, para encapsular nuevos fármacos y para el control de la contaminación ambiental.

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Nanotubos de carbono

Carbino

El Carbino es, como el grafeno, un alótropo del carbono, es decir, una presentación de este elemento químico con una estructura diferente. Es más fuerte y más rígido que cualquier otro material conocido. De hecho, el Carbino es aproximadamente 2 veces más fuerte que el grafeno y nanotubos de carbono, que hasta ahora eran los materiales más fuertes. Tiene una larga lista de propiedades inusuales y muy deseable que lo convierten en un material interesante para una amplia gama de aplicaciones:

Tensión de rotura (capacidad de soportar estiramientos) que posee el carbino sobrepasa a la de cualquier otro material conocido y es el doble de la del grafeno.

Su rigidez a la tracción es el doble que la del grafeno y de la de los nanotubos de carbono, y cerca del triple que la del diamante.

Si se le agregan 'asas moleculares' en los extremos, el carbino puede doblarse y alterar su 'banda prohibida' para convertirse en un semiconductor magnético.

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Las cadenas de carbino pueden acoger moléculas en los laterales, las cuales posibilitan que las cadenas se vuelvan adecuadas para el almacenamiento de energía. Además puede representar el estado energético más alto para el carbono estable.

Aún no se ha fabricado de forma estable.

Fósforo negro

Desde el descubrimiento del grafeno y su potencial como semiconductor para aplicaciones electrónicas, muchos investigadores se han volcado en hallar otros nano materiales con propiedades similares. El último en sumarse a este club al que ya pertenecen el Estaneno, el grafeno blanco o el cristal de bismuto es el fósforo negro.

En esencia, el fósforo negro es un equivalente casi idéntico al grafeno y un candidato excelente para dar vida a una nueva era de componentes electrónicos. Como el grafeno, su mayor problema es lograr procesar la materia prima para obtener láminas a escala nanométrica. Los descubridores del fósforo negro han encontrado un método fiable y bastante sencillo de obtener el material, que es combinando un disolvente no basado en agua (el material se oxida con facilidad en contacto con agua u oxígeno), y ultrasonidos para separar las láminas.

Una vez obtenido mediante este procedimiento, el fósforo negro muestra propiedades equivalentes a las del grafeno. Unido a otras fibras, por ejemplo, es capaz de mejorar la resistencia de materiales hasta seis veces. También es un excelente conductor de la electricidad y, en algunas aplicaciones, hasta supera al grafeno. Su tasa de absorción gradual de luz, por ejemplo, es superior a la del conocido supe material.

Aunque su sensibilidad al oxígeno y al agua es un problema, una vez tratado con los solventes utilizados para su fabricación, el fósforo negro exhibe una buena durabilidad. Sus creadores en el Trinity College de Dublin siguen probando aplicaciones y confían en poder integrarlo en dispositivos electrónicos pronto.

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Cristal de Sodio y Bismuto

• Un equipo de Oxford ha dado con un compuesto de sodio y bismuto (Na3Bi), cuyas propiedades son prácticamente equivalentes a las del grafeno, con la ventaja de que mantiene esas propiedades sin necesidad de ser cortado en 'lonchas' de una sola molécula de grosor.

• Los resultados, publicados en la revista Science, demuestran que el Na3Bi es incluso mejor conductor de la electricidad que el grafeno. Además, es un estupendo aislante topológico (conduce la electricidad en su superficie, pero no en el interior).

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La mala noticia es que la combinación química de estos dos elementos aún es demasiado inestable como para ser manipulada en aplicaciones industriales. Sus descubridores trabajan ahora en una forma de estabilizar el compuesto para producirlo y utilizarlo en masa.

Estaneno

Se compone de átomos de estaño dispuestos en una sola capa, de una manera similar al grafeno. Estaneno debe su nombre al combinar la palabra estaño con el sufijo eno por su similitud con el grafeno y el siliceno.

Estaneno es un material cuya existencia se ha demostrado teóricamente y que sería un aislante topológico, y por tanto mostraría superconductividad al conducir la electricidad por sus bordes sin resistencia a temperatura ambiente.

La adición de flúor a los átomos a la capa mono molecular de estaño podría extender la temperatura crítica hasta los 100 °C., Esto lo haría práctico para su uso en circuitos integrados para hacer ordenadores más rápidos, más pequeños y energéticamente eficientes.

Se ha llegado hasta este material estudiando las posibles aplicaciones electrónicas de lo que denominan aislantes topológicos. Se trata de estructuras de materiales del grosor de una molécula que conducen la electricidad sólo por sus bordes, no por el interior. Se examinaron diferentes sustancias sin éxito hasta que se probó con el estaño. Resulta que una capa mono molecular de estaño sería capaz, según los cálculos, de conducir la electricidad con un 100% de eficiencia. En otras palabras, las propiedades de una lámina de estaño de estas características podrían permitir a los electrones viajar por líneas definidas en sus bordes sin resistencia.

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Siliceno

El siliceno es un alótropo bidimensional del silicio, similar al grafeno.

Usando el microscopio de efecto túnel, estudiaron el auto ensamblaje molecular de las nanocintas de siliceno y las hojas de siliceno depositadas sobre un cristal de plata con resolución atómica. Las imágenes revelaron hexágonos en una estructura de panal similar a la del grafeno.

Recientes cálculos han revelado que los grupos (clústers) de siliceno son excelentes materiales para aplicaciones FET.

A diferencia del grafito, el cual consiste de varias capas de grafeno débilmente unidas mediante fuerzas de dispersión, el acople entre capas en los silicenos es muy fuerte

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NANO MATERIALES

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Los nanomateriales son aquellos materiales de tamaño muy reducido, cuyo diámetro es del orden del nanómetro, es decir, de las mil millonésimas de metro. Están formados por partículas inferiores a 100 nm.

La nanociencia o nanotecnología abarca los campos de la ciencia y de la tecnología en los que se estudian, se obtienen y se manipulan materiales, sustancias y dispositivos de dimensiones próximas al nanómetro. Estudia fenómenos y manipulación de escala atómica, molecular y macromolecular.

En este nivel, el comportamiento de la materia se rige por la física cuántica y aparecen nuevas propiedades y fenómenos.

La física de lo muy pequeño, como las moléculas, los átomos y las partículas elementales, es muy diferente de la física clásica, válida solo para los objetos macroscópicos.

La física cuántica se ocupa de las propiedades y transformaciones de la materia y la energía a escala microscópica. 71

¿Qué SON?

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Nano Materiales

La nanotecnología empieza a ser posible por el desarrollo de ciertos materiales, la miniaturización solo es posible cuando se encuentran propiedades muy especiales de ciertos elementos que permiten que se pueda manipular casi al nivel del átomo. La física, la química y la informática ,han hecho posible este avance, y uno de los elementos en los que está basada esta nueva generación de materiales es el Carbono.

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Nuevas Tecnologías

Nanotecnología

La nanotecnología, con la herramienta del microscopio de efecto túnel, permite manejar átomos sobre superficies como elementos independientes.

Las posibilidades de esta tecnología son inmensas dado que prácticamente se pueden crear las estructuras atómicas que se deseen dando la posibilidad de diseñar materiales «a la carta».

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Nano Tecnología

Microscopio de efecto túnel

Un microscopio de efecto túnel (Scanning tunneling microscope o STM) es un instrumento para tomar imágenes de superficies a nivel atómico.

Su desarrollo en 1981 hizo ganar a sus inventores, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer (de IBM Zürich), el Premio Nobel de Física en 1986.

Para un STM, se considera que una buena resolución es 0.1 nm de resolución lateral y 0.01 nm de resolución de profundidad. Con esta resolución, los átomos individuales dentro de los materiales son rutinariamente visualizados y manipulados.

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Nanomedicina • Posibilidad de construir dispositivos diminutos que

recorran el cuerpo, para detectar enfermedades o depositar fármacos. Como un glóbulo rojo de la sangre tiene un tamaño de unas 7 micras y un nanómetro es la milésima parte de una micra, un posible tratamiento para el cáncer consistirá en introducir nanocápsulas de silicio recubiertas de oro en la sangre del paciente. Las cápsulas llegarán al tumor y se fijarán selectivamente sobre las células tumorales. Al irradiar el tumor con luz infrarroja, las nanocápsulas se calentarían y matarían selectivamente a las células tumorales sobre las que están fijadas, sin perjudicar el tejido sano. Se podrán diseñar máquinas moleculares de tamaño menor que las células. Se usarán como sistemas autoinmunes que funcionen como nuestros anticuerpos naturales, que busquen y destruyan virus, eliminen el colesterol, células cancerígenas, etc.

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Aplicaciones

Nanoelectricidad y nanoelectrónica

• Fabricación de baterías flexibles de nanotubos de carbono. Baterías de papel. Pilas y condensadores ultrafinos. LED para sustituir las bombillas tradicionales con luz fría de mayor duración y eficiencia energética. Fabricación de nanochips. Desde el año 2000, se fabrican chips de microprocesadores de tamaño nanométrico, con lo que se multiplica el número de transistores que usan. Actualmente se investigan y fabrican nanochips autoensamblados. Aplicaciones en pantallas de TV planas y de teléfonos móviles.

Dispositivos cada vez más diminutos y potentes.

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Aplicaciones

Otras aplicaciones en el campo de la energía, sostenibilidad, industria textil y arquitectura

• En el campo de la energía, la nanotecnología está contribuyendo a la construcción de células fotovoltaicas más eficientes. Avance hacia la sostenibilidad con la mejora de catalizadores, descontaminación del agua y de la atmósfera. En la industria textil, se ha logrado la fabricación de ropas elaboradas con textiles que incluyen partículas hidrófobas o bactericidas, que repelen el agua y tardan más en ensuciarse. En arquitectura, se produce la fabricación de recubrimientos que protegen paredes o cristales de pinturas indeseadas o de la corrosión metálica. Vidrios fotocrómicos que cambian de color según la luz incidente, evitando la penetración de rayos UV e IR. Sanitarios que repelen los líquidos y que se depositen bacterias, evitando la suciedad.

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Aplicaciones

• FIN DE LA PRIMERA PARTE

• PAUSA PARA CAFÉ

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evoluciÓn de los materiales en la informÁtica · microprocesador. en la quinta generación el...

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