04Origen de las propiedades- - Tanis Rincon Medina

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Ingeniería de Materiales 				27
Origen de las propiedades
· Fundamentos
· Clasificación de materiales
· Competencia 
· Tendencias 
· Metodología de estudio
· Criterios de diseño
· Nanotecnología
· Niveles de energía de los electrones
· Modelos atómicos
Fundamentos
Los materiales han estado tan íntimamente relacionados con el surgimiento y ascenso del hombre que han dado los nombres de Piedra, Bronce y Hierro a las edades de la civilización. 
Los materiales son una parte de la materia que se encuentra en el universo, pero más específicamente, son sustancias cuyas propiedades las hacen útiles en estructuras, máquinas, dispositivos, o productos. La producción y proceso de estos materiales para la obtención de productos terminados contribuyen aproximadamente en una quinta parte a los empleos y al producto nacional bruto (P.B.I.) en los países avanzados.
Los materiales utilizados por el hombre pueden ser visualizados como parte de un vasto ciclo formado por un sistema global. En este sentido las materias primas son tomadas de la tierra por la minería, barrenado, excavación o recolección y convertidas en semielaborados como ser lingotes de metal, piedra molida, fuel-oil, madera, etc. Posteriormente se realiza su transformación en productos terminados, para satisfacer las necesidades de la sociedad. Después de ser utilizados, estos materiales terminan por regresar a la tierra como desechos o regresan al ciclo para ser reprocesados y reutilizados nuevamente antes de ser descartados en forma definitiva. 
Un aspecto importante del concepto de ciclo es que revela las interacciones de importancia entre materiales, energía y medio ambiente y que estos tres factores deben ser tomados en cuenta en la planificación y la evaluación tecnológica y económica de un país. Estas consideraciones están haciéndose especialmente críticas debido al creciente costo de la energía y escasez de materiales que se presenta justamente en el momento en que los habitantes del planeta están manifestando un interés más profundo por la calidad del espacio en que habitan. 
Como un caso específico, si el desperdicio de aluminio es sometido a reciclado, se requiere solo alrededor de un vigésimo de la energía necesaria para purificar un tonelaje equivalente de aluminio primario a partir del mineral y los niveles de operaciones de extracción asociados a este proceso se reducen en una proporción equivalente.
La producción de nuevos materiales y el procesado de estos hasta convertirlos en productos terminados, constituyen una parte importante de la economía actual. 
Las actividades de investigación y desarrollo están orientadas a crear nuevos materiales y a modificar las propiedades de los ya existentes. 
A veces el problema surge de modo inverso: Cuando se presentan dificultades en un diseño o necesidad, se requiere que sea creado un nuevo material. Por ejemplo, en el caso de transportes a velocidad hipers6nica, se tendrá que desarrollar materiales que soporten temperaturas tan altas como 1800"C, de modo que se puedan alcanzar velocidades en el rango de Mach > 5 (hipersónico). La investigación avanza paulatinamente en el desarrollo de compuestos de matriz metálica de titanio y otros tipos de compuestos refractarios para esta aplicación. 
La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente. Por ejemplo, en mecánica se requieren materiales para altas temperaturas, de modo que los motores de reacción puedan funcionar más eficientemente. En electricidad se procura encontrar nuevos materiales para lograr que los dispositivos electrónicos puedan operar a mayores velocidades y temperaturas. En aeronáutica se trata de descubrir materiales con mayor relación resistencia mecánica-peso. 
En química existe una permanente preocupación por lograr materiales más resistentes a la corrosión. 
Las propiedades fundamentales de los materiales son la resistencia mecánica, la tenacidad, la conductividad térmica, la conductividad eléctrica, la expansión térmica, las características dieléctricas y electromagnéticas, las propiedades ópticas, la resistencia a la corrosión y oxidación.
La comprensión de las características internas de los materiales permitió el desplazamiento de los conductores de señales electrónicas por los de tipo fotónico (Fig.1). Entre 1970 y 1984, las telecomunicaciones en América consumieron 200000 tns de cobre por año. Entre 1984 y 1995 el consumo cayo a la mitad, con la aparición de la fibra óptica. En la actualidad las fibras ópticas se utilizan en conductores de señales eléctricas de larga distancia, mientras que el cobre se emplea en casos de pequeños diámetros.
La contribución de las diferentes fuentes de energía a la economía se observa en la Fig. 2. Cuando el petróleo y el gas se agoten, se tendrá que recurrir a otras fuentes de energía. Para el desarrollo de esas nuevas fuentes de energía será necesario disponer de nuevos materiales de alto desarrollo tecnológico.
La industria aeronáutica y aeroespacial incidieron de manera preponderante en el desarrollo de la ciencia y la tecnología. La creciente velocidad de las aeronaves obliga a realizar mejoras continuas en los materiales empleados. El calentamiento por fricción con el aire afecta al revestimiento y la mayor potencia desarrollada eleva la temperatura del motor (Fig. 3).
Los distintos tipos de materiales utilizados en naves aeroespaciales se observan en la Fig. 4. La elevación de las temperaturas de trabajo de los motores a reacción también exigió el desarrollo de materiales con características mecánicas y térmicas superiores (Fig. 5). Los diseños de las naves subsónicas y supersónicas se basan en la reducción del peso de los componentes.
Un aspecto importante para el diseño es la relación del costo con la reducción del peso. En la industria automotriz se pone en evidencia más claramente la importancia de la sustitución de materiales convencionales por otros más livianos (Fig. 6). Un factor a tener en cuenta es el de la seguridad que se opone al uso de estos materiales. Este contrasentido es un desafío para el diseño.
Es importante analizar las exigencias que se imponen a los materiales y componentes desde las diferentes industrias. Las necesidades tecnológicas dependen de las tensiones mecánicas, las temperaturas, las presiones y los entornos químicos del medio en el que deben operar.
Fig. 1 – Producción anual de material de interconexión para comunicaciones
Fig. 2 – Contribución de las fuentes de energía a la economía
Fig. 3 – Exigencias tecnológicas en la industria aeroespacial
Fig. 4 – Materiales para naves espaciales
Fig. 5 – Evolución de la temperatura de trabajo de motores de reacción
Fig. 6 – Sustitución de materiales en la industria automotriz
Clasificación de los materiales
Existen varios tipos de clasificaciones de los materiales (según su aplicación, la composición química, etc.). En el presente caso la clasificación utilizada comprende los siguientes cinco grupos principales:
- Metales y aleaciones
- Cerámicos
- Polímeros
- Compuestos
 	- Semiconductores.
Las características que diferencian a cada grupo se basan en las propiedades físicas y químicas fundamentales. 
Metales y aleaciones
Definición: Los metales y aleaciones son sustancias inorgánicas que están compuestas por uno o más elementos metálicos, pudiendo contener también algunos elementos no-metálicos.
Estructura interna: Presentan ordenamiento atómico que da origen a la estructura cristalina. 
Aceros – Aluminio – Cinc – Fundiciones – Titanio – Cobre - Definición
Propiedades principales:
Alta resistencia mecánica-gran rigidez-ductilidad (conformabilidad)-resistencia a choques térmicos-buena conductividad eléctrica y térmica
Tipo de enlace: Metálico 
Los metales y aleaciones se dividen en general en dos clases: 
- Metales y aleaciones ferrosas, que contienen un alto porcentaje de hierro, como el acero o los hierros fundidos
- Metales y aleaciones no-ferrosas, como aluminio, cobre,cinc, titanio y níquel.
Una aleación es una combinación de dos o más metales y también de un metal y un no-metal.
Polímeros
Definición: La mayoría de los polímeros están formados por largas cadenas de moléculas orgánicas o redes. 
Son materiales orgánicos. Se aplica el proceso de polimerización para la fabricación
Productos: Films plásticos-envases-placas-barras-perfiles-etc. Elastómeros (caucho vulcanizado). Adhesivos (epoxi)
Propiedades: Aislantes eléctricos-aislantes térmicos-baja resistencia mecánica-alta relación resistencia/peso-buena resistencia a la corrosión.
Otras aplicaciones: Chalecos antibalas-discos compactos-pantallas LCD-componentes con aditivos
Estructura interna: Estan constituidos por moléculas. Por lo tanto no tienen ordenamiento atómico y presentan estructura cristalina. En alguno casos se forman zonas localizadas de regiones cristalinas 
Tipo de enlace: Molécular (enlaces débiles, de Van der Waals). Los átomos de las moléculas tiene enlace covalente. 
Por lo tanto las moléculas son neutras (no conducen electricidad). 
Los polímeros tienen bajas densidades y temperaturas de fluencia (ablandamiento) o descomposición relativamente bajas.
Cerámicos
Definición: Los cerámicos son materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no-metálicos cohesionados químicamente. 
Cerámicos avanzados: Sustratos de chip de computadora-sensores y arrancadores-capacitores-comunicaciones inalámbricas-bujías de motores-inductores y aislantes eléctricos-recubrimientos de motores de turbina.
Cerámicos industriales: placas para pared y piso-ladrillos-vajilla-sanitarios-refractarios-abrasivos
Propiedades principales: Alta temperatura de fusión-aislantes térmicos (porosidad)-alta resistencia a la compresión-alta dureza-alta fragilidad-alta resistencia a la fractura para soportar cargas dinámicas para impulsores de motores de turbina. 
Vidrios: Material amorfo (no tienen arreglos regulares o periódicos de sus átomos), base sílice fundida-fibra óptica (fibra de vidrio de alta pureza)-aplicaciones en casas-automóviles-pantallas de computadoras y tv.
Para mayor resistencia los vidrios se someten a tratamientos térmicos (temple)-Al moldear y lograr nucleación de pequeños cristales por tratamientos térmicos especiales se obtienen materiales vitrocerámicos (Zerodur®, para sustratos de espejos de telescopios). 
Los vidrios y vitrocerámicos se procesan por fusión y colado 
Estructura interna: Pueden tener estructura cristalina, no cristalina (amorfa), o mezcla de ambos. 
Tipo de enlace: 
Vidrios: Enlace covalente (SiO2)
Cerámicos: Prevalece el enlace iónico con presencia de covalente
Ejemplos de materiales cerámicos
Nitruro de silicio (Si3N4), utilizado como polvo abrasivo.
Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques.
Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como material refractario.
Diboruro de magnesio (MgB2), es un superconductor no convencional.
Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor.
Ferrita (Fe3O4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en núcleos de memorias magnéticas.
Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico.
Óxido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares
Óxido de itrio, bario y cobre (YBa2Cu3O7-x), superconductor de alta temperatura.
Cermet: Materiales compuesto formado por cerámico y metal. Matriz: Cobalto, níquel, molibdeno. Fase dispersa: carburos, boruros, óxidos, alúmina 
Materiales compuestos
Definición: Los materiales compuestos son mezclas de dos o más materiales. La mayoría consta de un determinado material denominado fase dispersa (refuerzo) y una matriz (aglomerante), con el objeto de obtener características y propiedades especificas.
Combinación de materiales con propiedades distintas. A partir de dos o más materiales, se obtienen propiedades que no posee un solo material. 
Hormigón armado-madera terciada-plásticos reforzado con fibras (vidrio, carbono, Kevlar®)
Las fibras de vidrio hacen más rígido al polímero sin aumentar su densidad.
Con materiales compuestos se pueden obtener materiales ligeros, resistentes, dúctiles, resistentes a altas temperaturas o también se pueden fabricar herramientas de corte de alta dureza, pero resistentes al impacto.
La industria aeroespacial en general utiliza plástico reforzado con fibra de carbono o kevlar.
Elementos deportivos: bicicletas-raquetas-etc.
Características principales: En general, los componentes no se disuelven recíprocamente y pueden ser identificados físicamente debido a la interfase existente entre ambos. 
Semiconductores
Característica principal: Conducir corriente eléctrica bajo determinadas circunstancias y evitar el paso de dicha corriente en otras. La electrónica de estado sólido se basa en este tipo de materiales. 
Son materiales base silicio, germanio, arseniuro de galio. Se usan en computadoras y electrónica. La conductividad eléctrica es intermedia entre los aislantes cerámicos y los conductores eléctricos. 
Estos materiales no son significativos cuantitativamente, pero tienen gran incidencia en el desarrollo de las nuevas tecnologías. Son los principales componentes de la Era de la Información. Los dispositivos microelectrónicos han hecho posible la construcción de equipos tales como los satélites de comunicaciones, ordenadores avanzados, robots para producción, etc. 
 Hay distintos tipos de productos: transistores, diodos, circuitos integrados, monocristales, películas delgadas.
El más importante de los materiales electrónicos es el silicio puro, que se puede modificar de distintos modos para cambiar sus características eléctricas. Esto posibilita que los complejos circuitos electrónicos puedan ser miniaturizados en un chip de silicio de aproximadamente un 0,635 cm2. 
Estructura atómica: Presenta una característica común. Está formada por átomos tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su última órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o perder cuatro electrones.
Banda de energía
Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones que no estén ligados a un enlace determinado (banda de valencia), sino que sean capaces de desplazarse por el cristal (banda de conducción). La separación entre la banda de valencia y la de conducción se llama banda prohibida (gap), porque en ella no puede haber portadores de corriente. En base a la existencia de bandas de energía se consideran tres situaciones: 
· Metales. Ambas bandas de energía (de valencia y conducción), se superponen. Por lo tanto estos materiales naturalmente son conductores eléctricos. Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones que no estén ligados a un enlace determinado (banda de valencia), sino que sean capaces de desplazarse por el cristal (banda de conducción). La separación entre la banda de valencia y la de conducción se llama banda prohibida (gap), porque en ella no puede haber portadores de corriente. Así podemos considerar tres situaciones:
· Los aislantes (o dieléctricos), en los que la diferencia existente entre las bandas de energía, del orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones. 
· Los semiconductores, en los que el salto de energía es pequeño, del orden de 1 eV, por lo que suministrando energía pueden conducir la electricidad; pero además, su conductividad puede regularse, puesto que bastará disminuir la energía aportada para que sea menor el número de electrones que salte a la banda de conducción; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya conductividad es constante, o mas propiamente, poco variable con la temperatura. 
Competencia entre materiales
El estudio metódico y sistemático desarrollado por el hombre hace que permanentemente se produzca una competencia entre los diferentes tipos de materiales por su existencia y los nuevos mercados. De unos a otros períodos de tiempo, aparecen factores que hacen posible la sustitución de un material por otro para ciertas aplicaciones. Evidentemente, el costoes un factor fundamental. Si se hace un descubrimiento importante en el procesado de un cierto tipo de material de manera que su costo disminuya significativamente, dicho material puede reemplazar a otro en ciertas aplicaciones.
Otro factor que da lugar a reemplazo de los materiales es el desarrollo de uno nuevo con propiedades especiales para algunas aplicaciones. Estas circunstancias hacen que después de un cierto periodo de tiempo algunos materiales hayan cambiado.
La Fig. 1 muestra gráficamente como la producción de materiales en los países de avanzada ha variado a lo largo de los últimos años. El aluminio y los polímeros muestran un aumento significativo en la producción desde 1930. La razón de que el volumen de producción se haya incrementado para el aluminio y aún más para los polímeros, es que se trata de materiales ligeros.
La competición entre materiales resulta evidente cuando se analiza la composición del automóvil. En 1978 el automóvil medio pesaba 1800 Kg. y estaba compuesto aproximadamente por un 60 % de hierro y acero, un 10 a 20 % de plásticos y un 3 a 5 % de aluminio. En 1985 el peso de estos automóviles era de alrededor de 1400 Kg. y constaba de un 50 a 60 % de hierro y acero, un 10 a 20 % de plásticos y un 5 a 10 % de aluminio. 
Así, en el período 1978-1985 el porcentaje de acero descendió, el de aluminio se incrementó, y el de los plásticos permaneció aproximadamente constante. El automóvil de la década de los 90 pesaba una media de 1130 Kg., de los cuales su contenido en plásticos representaba el 30 % de su peso. En la Fig. 2 se observan las variaciones en las cantidades de los diferentes materiales utilizados en esta importante industria.
En algunas aplicaciones, sólo ciertos materiales satisfacen los requerimientos de diseño y por lo tanto pueden ser relativamente caros. Por ejemplo, un motor de avión moderno requiere para funcionar superaleaciones de alta temperatura a base níquel. Estos materiales además de ser de costo elevado no tienen sustitutos económicos.
De esta manera, aunque el costo sea un factor importante en el diseño de determinados equipos, los materiales utilizados deben reunir también características específicas. 
La sustitución de un material por otro continuará en el futuro ya que se descubrirán otros materiales y se desarrollarán nuevos procesos productivos.
Tendencias
Materiales metálicos
La producción de metales básicos tales como hierro, acero, aluminio, cobre, cinc y magnesio, se espera que siga fielmente la evolución de la economía en los países industrializados. 
Seguramente las aleaciones existentes podrán ser mejoradas por una química más optimizada y un mayor control de la composición y las técnicas de procesamiento.
Las nuevas aleaciones aerospaciales, tales como las superaleaciones de base níquel para altas temperaturas, están siendo constantemente reformadas para aumentar su tenacidad a altas temperaturas y su resistencia a la corrosión. Estas aleaciones se usan para motores de aviones y se puede obtener un aumento en la eficiencia del motor operando a temperaturas más altas. 
Con nuevas técnicas de procesado como la presión isostática en caliente (HIP) y la forja isotérmica es posible lograr mejoras en la vida en servicio de las aleaciones para aeronáutica. Asimismo, técnicas tales como la pulvimetalurgía, la refusión bajo escoria electroconductora, etc., continuarán siendo importantes, ya que pueden optimizar las propiedades de ciertas aleaciones con costos mas reducidos para los productos terminados. La tecnología de solidificación rápida ya puede producir aleaciones metálicas susceptibles de enfriamiento rápido desde la fusión a velocidades tan altas como millón de grades centígrados por segundo. Las partículas son conformadas en barras por medio de diferentes procesos como HIP y otros.
Materiales plásticos
Históricamente, los polímeros han sido el material básico de más rápido crecimiento, con un índice de 9 % por año en peso. Sin embargo, en el futuro se espera que dicho crecimiento baje por debajo del 5 %, lo cuál supone una disminución significativa. Esta caída es esperada, porque los plásticos ya han sustituido a metales y vidrios en la mayoría de los mercados de volumen importante.
Según algunas predicciones, los plásticos tales como el nylon deberán competir con los metales. En la Fig. 3 se muestran costos para los polímeros frente a algunos metales comunes. Se espera que, con excepción del acero laminado en caliente, los plásticos sean los materiales menos caros. Una importante tendencia en el desarrollo de los plásticos es combinar diferentes materiales poliméricos.
Cerámicos
El crecimiento histórico de uso de los materiales cerámicos tradicionales tales como el cemento, el vidrio y ladrillos fue del 3,5 % entre 1965 a 1980. El índice de crecimiento esperado de estos materiales desde 1982 a 1995 fue de un 2 % aproximadamente. En la pasada década, hizo su aparición una nueva familia de cerámicos a base de nitruros, carburos y óxidos. Se están encontrando constantemente nuevas aplicaciones para estos materiales, particularmente para usos a alta temperatura y para electrónica.
Los materiales cerámicos son de bajo costo, pero su procesado hasta la obtención de productos terminados es lento y laborioso. Además, la mayoría se daña fácilmente por impacto a causa de su baja o nula ductilidad. Si se pudieran encontrar nuevas técnicas para el desarrollo de cerámicos de alta resistencia al impacto, estos materiales podrían mostrar un resurgimiento.
Materiales compuestos
Los plásticos reforzados con fibras son el tipo principal de materiales compuestos usados en la industria, siendo el vidrio la fibra dominante. Esta industria creció desde 1980 a 1987, a un índice medio anual de 3 % por año.
Los materiales compuestos avanzados, como las combinaciones epoxi de fibra de vidrio y de grafito, son cada vez más importantes en aplicaciones estructurales críticas. Se ha predicho para el futuro mediato un incremento anual medio de 5 % en el uso de estos materiales. Se espera que los aviones comerciales de nuevo desarrollo se construyan con materiales compuestos cada vez más avanzados.
Materiales electrónicos
El uso del silicio y otros materiales semiconductores en estado sólido y microelectrónico han mostrado un firme crecimiento desde 1970 y se espera que esta tendencia continúe en la presente década. El impacto de los ordenadores y otros tipos de equipamiento industrial con circuitos integrados formados por chips de silicio ha sido espectacular. Aún falta determinar el efecto completo de los robots computarizados en la industria moderna. Los materiales electrónicos indudablemente desempeñaran un rol fundamental en las industrias del futuro, en las que casi toda la manufactura podrá ser realizada por robots asistidos por máquinas controladas por computadoras.
A lo largo de estos años se vienen fabricando circuitos integrados que tienen cada vez mayor densidad de transistores localizados en un solo chip de silicio, con la inherente reducción del tamaño del transistor. 
 Fig. 1 – Competición de materiales en países de avanzada en base a su peso
	Producción mundial (Millones t/año)
	Acero
	1200
	Aluminio 
	30
	Cobre 
	15
Año 2006
 
	
 
 Fig. 2 – Predicción de cantidad de materiales utilizados en automóviles 
 
Fig. 3 – Costos competitivos históricos de plásticos frente a otros materiales
Metodología de estudio
Se establecen relaciones entre microestructura-propiedades y procesamiento (productos semielaborados y terminados)
En Tecnología de Materiales, el objetivo es convertir materiales en componentes útiles (productos terminados). Un esquema de estudio aplicable es el siguiente:
Ejemplos:
Funcionalidad. Es conveniente tener en cuenta la función de cada componente en servicio. En el siguiente esquema se presentan casos característicos: 
Criterios de diseño
En ingeniería se utilizan entre otros elementosde trabajo, criterios de diseño que forman parte de los fundamentos de la evolución de la tecnología. Por esta razón es que la ciencia contribuye en forma casi insignificante a la tecnología. En la actividad científica, la preparación y comportamiento de recursos humanos, el concepto de la competitividad y productividad, la incidencia en la sociedad y políticas de estado, etc., no forman parte de su filosofía. En general la actividad científica requiere del aporte económico de la tecnología. Entonces, puede afirmarse que la ciencia depende de la tecnología? Tal vez. 
Un criterio de gran aplicación en tecnología es aquel que establece que el diseño de estructuras debe basarse en lograr la mayor relación posible resistencia mecánica-peso (o densidad). 
Otros criterios son:
· La obtención de alta resistencia mecánica sin pérdida de tenacidad.
· Alta resistencia mecánica con alto grado de conformabilidad
· Isotropía en propiedades mecánicas
· Alta resistencia mecánica a alta temperatura
· Alta conductividad eléctrica a alta temperatura
· Alta maquinabilidad con tenacidad
Nanotecnología
En el comportamiento y propiedades de los materiales es importante la composición química y genéricamente la estructura. 
La estructura de los materiales se divide en:
· Macroestructura
· Microestructura
· Nanoestructura
· Arreglos atómicos de corto y largo alcance
· Estructura interna
El estudio de la macroestructura y la microestructura han dominado las décadas pasadas en el tratamiento y uso de los materiales. Estas acepciones están relacionadas con la escala métrica. Por lo tanto cuando se hace referencia a la microestructura se entiende que se utilizaran medios ópticos para distinguir dimensiones del orden de los micrones (1 micrón = 10-6 metro). Aquí no hay demasiado margen para discutir el uso del microscopio óptico y electrónico. Desde este punto de vista, el estudio de la macroestructura implica la observación directa de las características de los materiales. Esto está relacionado con la técnica de inspección visual que el campo de la alta producción y constituye una herramienta valiosa para la toma de decisiones de aptitud. 
La nanoestructura tiene relación con el estudio de comportamiento y propiedades de los materiales a escala nanométrica (1 nm = 10-9 m)
Nanotecnología y nanociencia
La nanotecnología es un campo de producción dedicado al control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro dando lugar a los nanomateriales. Lo frecuente es que tal manipulación se produzca en un rango de entre diez y cien nanómetros. Se tiene una idea de lo pequeño que puede ser un nanobot sabiendo que un nanobot de unos 50 nm tiene el tamaño de 5 capas de moléculas o átomos, dependiendo de qué esté fabricado el nanobot.
Nano- es un prefijo griego que indica una medida, no un objeto, de manera que la nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja.
 La nanociencia tiene relación con el estudio científico de las propiedades a escala nanométrica. 
Obviamente la microtecnología tiene relación con con el campo productivo de componentes de escala micrométrica.
Inversiones
Algunos países en vías de desarrollo ya destinan importantes recursos a la investigación en nanotecnología. La nanomedicina es una de las áreas que más puede contribuir a un avance sostenible, proporcionando nuevos métodos de diagnóstico y cribaje de enfermedades, mejores sistemas para la administración de fármacos y herramientas para la monitorización de algunos parámetros biológicos.
Actualmente, alrededor de 40 laboratorios en todo el mundo canalizan grandes cantidades de dinero para la investigación en nanotecnología. Unas 300 empresas tienen el término “nano”en su nombre, aunque todavía hay muy pocos productos en el mercado.
Algunos gigantes del mundo informático como IBM, Hewlett-Packard ('HP)'NEC e Intel están invirtiendo millones de dólares al año en el tema. Los gobiernos del llamado Primer Mundo también se han tomado el tema muy en serio, con el claro liderazgo del gobierno estadounidense, que para este año ha destinado 570 millones de dólares a su National Nanotechnology Initiative.
En España, los científicos hablan de “nanopresupuestos”. Pero el interés crece, ya que ha habido algunos congresos sobre el tema: en Sevilla, en la Fundación San Telmo, sobre oportunidades de inversión, y en Madrid, con una reunión entre responsables de centros de nanotecnología de Francia, Alemania y Reino Unido en la Universidad Autónoma de Madrid.
Las empresas tradicionales podrán beneficiarse de la nanotecnologia para mejorar su competitividad en sectores habituales, como textil, alimentación, calzado, automoción, construcción y salud. Lo que se pretende es que las empresas pertenecientes a sectores tradicionales incorporen y apliquen la nanotectologia en sus procesos con el fin de contribuir a la sostenibilidad del empleo. Actualmente la cifra en uso cotidiano es del 0,1 % Con la ayuda de programas de acceso a la nanotecnologia se prevé que en 2014 sea del 15 % en el uso y la producción manufacturera.
Futuras aplicaciones
Según un informe de un grupo de investigadores de la Universidad de Toronto, en Canadá, las quince aplicaciones más prometedoras de la nanotecnología son:
· Almacenamiento, producción y conversión de energía.
· Armamento y sistemas de defensa.
· Producción agrícola.
· Tratamiento y descontaminación de aguas.
· Diagnóstico y cribaje de enfermedades.Nanotubos de carbono
· Sistemas de administración de fármacos.
· Procesamiento de alimentos.
· Descontaminación atmosférica.
· Construcción.
· Monitorización de la salud.
· Detección y control de plagas.
· Control de desnutrición en lugares pobres
· Informática.
· Alimentos transgénicos
· Cambios térmicos moleculares (Nanotermología)
Enfoque
Se puede pensar que la “construcción” de elementos nano es conveniente lograr desde el mundo macro (ir de lo mayor a la escala nanométrica). Se trataría de aplicar el método de la química denominado análisis. En principio es más frecuente ir de la escala atómica y molecular a la obtención de componentes nanotecnológicos (modelo de síntesis en química). Cualquiera de estos puntos de partida tiene validez a los efectos de obtener productos nanométricos. Incluso pueden existir casos en los que se disponga de una sola alternativa.
Niveles de energía de los electrones
Un átomo está formado por electrones orbitando alrededor de un núcleo. Los electrones pueden ubicarse en órbitas con determinados niveles de energía. Pueden saltar de un nivel de energía a otro pero no pueden tener órbitas con otras energías distintas a las permitidas (mecánica cuántica).
El átomo de hidrógeno 
El átomo es neutro desde el punto de vista da las cargas eléctricas. Los niveles de energía están dados por el siguiente esquema:
Un electronvoltio, es la energía que el electrón gana cuando viaja a través de una diferencia de potencial un voltio (1 eV = 1.6x10-19 J).
Los electrones deben estar en uno de los niveles de energía permitidos. Si un electrón está en el nivel 1 (n=1), debe tener -13.6 eV de energía. Si está en el nivel 2, debe tener -3.4 eV. El electrón no puede tener -9 ó -13 eV.
Si el electrón quiere saltar del nivel 1 al nivel 2, dado que el segundo nivel tiene mayor energía que el primero, dicho electrón debe ganar energía. Tiene que ganar -3.4-(-13.6) eV=10.2 eV para pasar del nivel 1 al nivel 2.
El electrón puede ganar energía absorbiendo luz. Si el electrón salta del nivel 2 al nivel 1, debe deshacerse de una parte de su energía emitiendo luz. El átomo emite o absorbe luz en paquetes discretos llamados fotones. Cada fotón tiene una energía definida. Solo un fotón con una energía de 10.2 eV puede ser absorbido o emitido cuando un electrón salta entre los niveles 1 y 2.
La energía que transporta un fotón depende de la longitud de onda. Como los fotones emitidos por los electrones saltando entre los niveles de energía n=1 y n=2, debentener 10.2 eV de energía, la luz absorbida o emitida debe tener una longitud de onda definida. Esta longitud de onda se puede determinar mediante la siguiente ecuación:
 (E: energía del fotón en eV; h: constante de Planck 4.14*10-15 eV s; c: velocidad de la luz 3*108 m/s) 
La ecuación queda: 
Un fotón de energía 10.2 eV, tiene una longitud de onda de 1.21*10-7 m, en la parte ultravioleta del espectro. Cuando un electrón cae del nivel 2 al nivel 1, emite un fotón de luz ultravioleta. 
El salto del nivel 2 al nivel 3, requiere menor energía. Solo 1.89 eV para este salto. Para pasar del nivel 3 al 4, requiere menor energía que de n=2 a n=3 y menos para ir de n=4 a n=5. 
Que sucede si el electrón gana suficiente energía para saltar hasta el nivel 0. El electrón se libera del átomo. En el caso del hidrógeno se forma el ión de Hidrógeno.
Tabla que muestra los primeros cinco niveles de energía de un átomo de Hidrógeno.
 
Ejercicio 1
Encontrar la longitud de onda del fotón emitido cuando un electrón salta del nivel 3 al nivel 2. Donde está el fotón en el espectro electromagnético?
Ejercicio 2
La tabla muestra valores de energía de un átomo de Helio ionizado una vez. Un ión con dos protones, dos neutrones y un electrón. Cuanta energía pierde el ión cuando el electrón salta del nivel 2 al nivel 1? 
 
Cuál es la longitud de onda del fotón emitido cuando el electrón salta del nivel 2 al nivel 1 en un átomo de Helio ionizado una vez? Donde está el fotón en el espectro electromagnético?
Este método se puede utilizar para encontrar las longitudes de onda emitidas por electrones saltando entre niveles de energía de diferentes elementos. Sin embargo, encontrar los niveles de energía correctos es difícil en átomos grandes con muchos electrones. Tanto es así que los niveles de energía de un átomo de Helio neutro son diferentes de los niveles de energía de un átomo de Helio ionizado una vez. 
Los niveles de energía se encuentran calculados para todos los elementos (ver en la web).
Modelos atómicos
	1916
	Modelo atómico de Sommerfeld
	Arnold Sommerfeld modifica el modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones solo giraban en órbitas circulares. Establece que las órbitas podían ser también elípticas
	
	1926
	Modelo actual
Modelo atómico
De Schrödinger
	En el modelo se Schrödinger se abandona la concepción de los electrones como esferas diminutas que giran alrededor de un núcleo. Se describe el estado energético de los electrones por medio de una función de onda, cuyo cuadrado representa la probabilidad de presencia en una región delimitida del espacio 
	
Unaspectoimportanteparaeldiseñoeslarelacióndelcostoconlareduccióndelpeso.Enlaindustriaautomotrizseponeenevidenciamásclaramentelaimportanciadelasustitucióndematerialesconvencionalesporotrosmáslivianos(Fig.6).Unfactoratenerencuentaeseldelaseguridadqueseoponealusodeestosmateriales.Estecontrasentidoesundesafíoparaeldiseño.Esimportanteanalizarlasexigenciasqueseimponenalosmaterialesycomponentesdesdelasdiferentesindustrias.Lasnecesidadestecnológicasdependendelastensionesmecánicas,lastemperaturas,laspresionesylosentornosquímicosdelmedioenelquedebenoperar.
Fig. 6 –Sustitución de materiales en la industria automotriz
Nivel de energía (n)Energía (eV)Niveles de energía del átomo de hidrógeno