Matèria Condensada i Materials Avançats

• Convertir la plata en or
• La ceràmica del futur
• Polímers biomèdics
• Vidres metàl·lics
• Sals superiòniques
• Polímers dopats
• Matèria quàntica
• Líquids sobrerefredats
• L'estructura dels líquids
• Aigua
• Física dels flocs de neu
• Fluids en roques

Ves a l'inici

Convertir la plata en or (Trinitat Pradell)

Al califat de Baghdad van aconseguir transformar la plata en or, o al menys això creien. Gràcies a un complex procés, els artesans d'aquest califat havien aconseguit al segle XII decorar peces amb plata de manera que tingues una lluentor semblant a l'or. Per esbrinar el secret d'aquells artesans ha calgut esperar mil anys. Gràcies a tècniques tan sofisticades com la difracció amb llum sincrotró s'ha descobert que el secret està en el grandària de les partícules de plata: son nanomètriques! Sembla, per tant, que la nanotecnologia ja estava inventada al segle XII.

MMN - Grup de Materials Metaestables i Nanoestructurats

La ceràmica del futur (José Eduardo García)

Alguns materials ceràmics presenten un conjunt de propietats, físiques i estructurals, que els converteix en indispensables en el disseny d'un gran nombre de dispositius electrònics, com poden ser: sistemes d'emmagatzematge d'informació, condensadors multicapa d'alta capacitat, dispositius sintonitzables, així com un ampli i variat conjunt de sensors i actuadors.

La miniaturització dels components i la integració dels dispositius en sistemes multifunció requereix de nous i millors materials, amb propietats multifuncionals que puguin ser reproduïbles a escala nanomètrica. En aquest sentit, dediquem els nostres esforços al disseny, obtenció, caracterització i avaluació de ceràmiques i nanoestructures multifuncionals amb aplicacions en dispositius electrònics.

CEMAD - Grup de Caracterització Elèctrica de Materials i Dispositius

Polímers biomèdics (Carlos Aleman i Jordi Puiggalí)

El grups de recerca PSEP i IMEM treballem en el desenvolupament de nous polímers i materials compostos per a la seva aplicació a diferents besants de la biomedicina: plataformes bioactives per a la regeneració de teixits, alliberament controlat de fàrmacs, condensadors per  a dispositius bioelectrònics, detecció selectiva de neurotransmissors i adsorció selectiva de biomarcadors proteics. La recerca està focalitzada tant en el disseny computacional mitjançant eines de simulació basades en la dinàmica molecular i la mecànica quàntica, com en la síntesis i caracterització de propietats a escala nanomètrica i mesoscòpica d'aquest compostos i, finalment, en la utilització dels nous materials en aplicacions biomèdiques in vitro i in vivo.

IMEM - Grup d'Innovació en Materials i Enginyeria Molecular

PSEP - Polímers sintètics: Estructura i Propietats

Vidres metàl·lics (Daniel Crespo, Eloi Pineda, Pere Bruna)

Un vidre és un material sòlid desordenat (amorf), que conserva l’estructura d’un líquid. Els vidres de finestra estan fets bàsicament de silicats (sorra de platja) i son transparents; així s’associa popularment vidre amb material transparent. També es poden obtenir vidres metàl·lics formats majoritàriament per elements metàl·lics, que no son transparents però tenen interessants aplicacions tecnològiques: transformadors d’alta eficiència, micromecanismes amb aplicació en medicina, etc.

Al Grup de Materials Metaestables i Nanoestructurats (MMN) produïm vidres metàl·lics resistents a la corrosió i biocompatibles que estudiem amb una gran varietat de tècniques: difracció de raigs X, espectroscòpia Mössbauer, microscòpia electrònic (SEM i TEM), etc. Utilitzem també la radiació de sincrotró en les instal·lacions de l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) de Grenoble o del sincrotó ALBA de Cerdanyola del Vallés. Tanmateix realitzem simulacions de dinàmica mol·lecular i de phase-field per estudiar la dinàmica i la microestructura d'aquests materials i així intentar establir ponts entre l'estructura a l'escala nanomètrica i les propietats macroscòpiques.

MMN - Grup de Materials Metaestables i Nanoestructurats

Sals super-iòniques (Quim Trullàs)

A temperatura ambient, les sals tenen una estructura cristal·lina formada per una xarxa de ions positius i una de negatius. La majoria de sals no condueixen l'electricitat fins que no fonen. Les salts super-iòniques, però, abans de fondre, a temperatures prou altes són conductores perquè un dels dos tipus de ions és prou petit per difondre's (els blaus a la recreació artística de la dreta) entre la xarxa dels altres que és manté estable (els grocs enllaçat per línies, que haurien de ser més grans a la recreació). En certa manera és com si la xarxa dels ions petits és fonessin i l'altra no.

Amb el mètode numèric de la dinàmica molecular hem simulat sals super-iòniques foses amb un model en el qual els ions es poden polaritzar, i els resultats obtinguts de l'estructura s'ajusten millor a les dades experimentals de difracció de neutrons que els obtinguts amb models més simples.

SIMCON - Grup de Recerca de Simulació per Ordinador en Matèria Condensada

Polímers dopats (Manel Canales)

La majoria de polímers són excel·lents aïllants elèctrics. Tanmateix, els anomenats polímers conductors són materials orgànics que poden conduir l’electricitat i que, segons com es sintetitzen, es comporten com a conductors o semiconductors. Un dels més coneguts és la polianilina, que presenta l’avantatge de que és molt estable a temperatura ambient. Està format per unitats de anilina unides per enllaços conjugats que fan possible la deslocalització electrònica i, per tant, la conducció elèctrica. La conductivitat elèctrica d’aquest material es pot augmentar dopant-lo amb algun àcid, com per exemple clorhídric o algun de la família dels sulfònics.

En col·laboració amb el grup Innovació en Materials (IMEM) utilitzem mètodes de la Mecànica Quàntica per determinar la distribució d’unitats d’anilina, dopada i sense dopar, així com la disposició geomètrica dels diferents àtoms (distàncies i angles) més favorable energèticament. A més, utilitzant mètodes de simulació clàssics, estudiem propietats estàtiques i dinàmiques, distribucions de ponts d’hidrogen. Un dels objectius és analitzar la capacitat d’absorció d’aigua i la solubilitat de la polianilina dopada i sense dopar.

SIMCON - Grup de Recerca de Simulació per Ordinador en Matèria Condensada

Matèria Quàntica (Jordi Boronat i Ferran Mazzantti)

Quan ens endinsem en el món microscòpic les lleis de la mecànica clàssica no descriuen bé el comportament de la matèria. Moltes de les nostres intuïcions, basades en el que veiem, sentim i toquem amb els nostres sentits, ens enganyen. Entrant en el reialme de la matèria quàntica observem fenòmens clàssicament inesperats, com ara la supressió de la viscositat d'un líquid (superfluïdesa) o la desaparició de la resistència elèctrica (superconductivitat). Aquests estats de la matèria són explicats de manera satisfactòria aplicant les lleis de la Mecànica Quàntica.

El grup de Matèria Quàntica del SIMCON estudiem aquests fenòmens sorprenents mitjançant eines teòriques avançades, que combinen la física quàntica amb mètodes estocàstics de simulació. Analitzem i caracteritzem amb eines de primers principis gasos, líquids i sòlids quàntics. Estudiem la superfluïdesa de l'heli, que segueix essent líquid inclús en el límit de temperatura zero, la formació de l'estat de condensat de Bose-Einstein en gasos molt freds, sistemes fermiònics com els electrons, ... I en molts casos podem comparar els resultats de les nostres prediccions teòriques amb mesures experimentals fetes en diferents laboratoris arreu del món. El món microscòpic i l'aplicació de les lleis de la Mecànica Quàntica a aquest món omplen una caixa de sorpreses que no deixa de meravellar-nos cada dia. El món del futur és quàntic.

A la figura es veu el mapa de densitat de partícules en un sòlid quàntic absorbit sobre una capa de grafè.

SIMCON - Grup de Recerca de Simulació per Ordinador en Matèria Condensada

Líquíds sobrerefredats (Gemma Sesé)

La majoria dels líquids formen cristalls si es refreden fins a la temperatura de fusió. Ara bé, a temperatures inferiors a aquesta, si el procés de refredament és prou ràpid, molts líquids romanen en un estat líquid metaestable. Són els líquids sobrerefredats. En ells, mentre que l'estructura sembla que canvii poc si la comparem amb la d'un líquid, la dinàmica presenta un comportament singular caracteritzat per la seva heterogeneïtat, de manera que les seves molècules es poden classificar en mòbils i immòbils. Si el procés de refredament continua, aquests materials esdevenen sòlids amorfs o vidres, és a dir, sòlids desordenats. Gràcies a la potència dels ordinadors actuals, les simulacions permeten entendre millor el comportament dinàmic d'aquests sistemes i construir ponts entre les propietats macroscòpiques dels líquids sobrerefredats i les seves característiques microscòpiques.

SIMCON - Grup de Recerca de Simulació per Ordinador en Matèria Condensada

L'estructura dels líquids (Luis Carlos Pardo)

Les molècules d'un líquid semblen completament desordenades, com mostra el dibuix en el cas del tetraclorur de carboni líquid. Però si ens ho mirem de més a prop i ens fixem en l'entorn de cadascuna, les altres molècules omplen l'espai com si es tractés d'un joc de tetris en tres dimensions. D'aquesta manera, l'ordre apareix en un sistema que en un principi semblava desordenat (si en vols saber més, clica aquí).

Per estudiar l'estructura dels líquids fem experiments amb els neutrons que es generen en fonts de neutrons com ISIS, el ILL o el reactor FRMII. L'anàlisi de dades juntament amb simulacions de dinàmica molecular ens permeten obtenir la disposició de les molècules al líquid.

GCM - Grup de Caracterització de Materials

Aigua (Rossend Rey)

És difícil exagerar la importància de l'aigua en la nostra vida. El nostre cos n'està constituït en gairebé un 70%, de forma que juga un paper literalment vital. Podríem pensar que ben poc deu quedar per conèixer però, ans al contrari, estem tot just en un dels moments clau per entendre el seu rol a nivell molecular. Hi han dues raons fonamentals. En primer lloc els processos de què estem parlant tenen lloc a escales de temps de l'ordre dels picosegons o inferiors, i és ara quan disposem de les tècniques espectroscòpiques adients basades en làsers de polsos ultrarràpids. En segon lloc, estem parlant de processos on hi participen quantitats ingents de molècules, un repte computacional que, amb aproximacions suficientment realistes, els ordinadors actuals ens permeten d'abordar. Una part important de la recerca que es porta a terme, en l'àmbit computacional, es concentra en els processos fonamentals de relaxació energètica: relaxació vibracional, rotacional i de solvatació (canvis que segueixen a una alteració de la distribució de càrrega). Tots aquests són processos essencials en processos reactius, tant per la facilitar-los com per canalitzar l'energia alliberada. Així doncs, l'objectiu es pot resumir com la determinació dels camins de l'energia dins de l'aigua.

SIMCON - Grup de Recerca de Simulació per Ordinador en Matèria Condensada

Física dels flocs de neu (Laureano Ramírez de la Piscina)

Els flocs de neu no son només interessants per la seva bellesa. La física que hi ha darrera de la seva formació pot obrir portes al disseny de nous materials.

Al grup de de recerca NOLIN treballem per tal d'entendre com es formen aquestes microestructures complexes anomenades dendrites. D'aquesta manera en un futur podrem controlar la seva formació, dissenyant materials amb noves propietats mecàniques, tèrmiques o elèctriques.

MMN - Grup de Materials Metaestables i Nanoestructurats

Fluids en roques (Enric Alvarez-Lacalle)

Un dels aspectes més interessants de la física és aprendre que sistemes aparentment molt diferents obeeixen exactament les mateixes lleis. Aquest és el cas del món del petroli. El petroli es troba normalment contingut en roques poroses al subsòl i el seu moviment en elles segueix les mateixes lleis que el moviment de qualsevol fluid viscos entre dues plaques de vidre separades per una distància de l'ordre del mil·límetre. El moviment de fluids entre aquestes plaques de vidre, anomenada cel·la de Hele-Shaw, no només permet investigar com es mou el petroli sinó també el comportament general de molts líquids, especialment quan volen ser desplaçats per un altre fluid. L’evolució de la interfície entre els dos fluids és, de fet, un problema altament no-lineal que pot portar a formes complexes semblants a dits (com a la foto). Aconseguir saber com són exactament aquestes formes i també evitar la seva aparició és l’aspecte principal part de la recerca que fem al NOLIN .

A la imatge és veu oli de silicona (en negre), desplaçant un segon fluid (blanc) dins d'una cel·la de Hele-Shaw d'uns 20 cm de diàmetre (escala de la imatge) que rota a gran velocitat respecte a l'eix perpendicular al centre de la figura.

NOLIN - Grup de Física No-lineal i de Sistemes Fora de l'Equilibri