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Subject's code : 21156149
Introducción general al tema
En este tema se presenta una introducción a las principales propiedades asociadas a las fronteras de los sólidos tridimensionales: las superficies.
Se estudian la estructura y propiedades físico-químicas de las superficies sólidas, así como las propiedades electrónicas y vibracionales de las mismas y la aparición de modos localizados en la superficie. Se discutirán también los mecanismos físicos y químicos de absorción e intercambio de energía en las interacciones gas-sólido.
Esquema
Superficies: conceptos básicos, estructura y composición superficial, crecimiento en superficies.
Los objetivos son: conocer los conceptos básicos de lo que es y cómo se describe una superficie; entender los aspectos generales de cómo se enfoca el estudio estructural y la composición de la misma; describir los mecanismos de crecimiento superficial.
Dinámica superficial de las redes cristalinas
En esta segunda parte el objetivo es conocer someramente cómo se describen y calculan las propiedades asociadas al movimiento de la superficie, descritos por los fonones o modos normales de vibración superficial.
Estructura electrónica de las superficies, interfases. Excitaciones electrónicas en superficies.
En este apartado nuestro objetivo es estudiar las propiedades electrónicas de la superficie, tanto en lo que se refiere a cuál es su estructura en el estado estacionario como de sus excitaciones elementales.
Interacción gas-sólido, interacciones intermoleculares, intercambios de energía
En esta parte el objetivo es conocer las bases de las distintas interacciones que regulan muchos de los fenómenos dinámicos en los que intervienen la materia condensada.
Adsorción, fisisorción y quimisorción. Difusión y activación.
Reacciones en las superficies. Catálisis heterogénea: significado e importancia. Modelo de Langmuir-Hinshelwood y sus parámetros. Otros modelos.
Este apartado tiene como objetivo la descripción de la actividad catalítica de las superficies, sin entrar en un estudio teórico profundo. Los contenidos de este apartado son fundamentales para conocer las bases de los mecanismos microscópicos de la catálisis, con las implicaciones tanto fundamentales como aplicadas que conlleva.
Resultados de aprendizaje
Una vez realizadas las actividades de aprendizaje previstas en este tema, los estudiantes:
· Habrán aprendido a describir las propiedades básicas que introduce la presencia de una superficie en un sistema cristalino, así como la estructura y composición de la misma.
· Entenderán los aspectos generales de los modos normales de vibración de la superficie.
· Entenderán los aspectos generales de la estructura electrónica superficial.
· Conocerán algunas de las interacciones que participan de manera decisiva en las propiedades de sistemas condensados.
· Serán capaces de distinguir los distintos tipos de enlace entre las partículas depositadas sobre una superficie y el propio sustrato, y el porqué se manifiestan propiedades físicas muy bien diferenciadas según el tipo de enlace entre superficie y partícula.
· Habrán entendido la importancia de la catálisis heterogénea como problema físico, así como el significado básico de su posibles aplicaciones.
· Entenderán la motivación que subyace a las propuestas de aproximaciones que nos permiten construir modelos para la descripción básica de muchos problemas físicos.
· Habrán entendido la importancia de justificar debidamente cada una de esas aproximaciones intrínsecas a los modelos, con sus ventajas y sus inconvenientes.
Contextualización
El tema es una introducción a uno de los campos de mayor importancia en la materia condensada. Presenta el estudio de las propiedades ligadas a un sistema (la superficie) que tiene una simetría menor que la de un sólido cristalino, y de cómo eso afecta tanto a los modos normales de vibración como a los electrónicos. Ese conocimiento se aplica a la estudio e interpretación de propiedades asociadas a la presencia de superficies, que resultan ser de mucho interés básico y aplicado.
Materiales para el estudio
El contenido básico de este tema está desarrollado en el capítulo 28 del libro de P. W. Atkins y J. de Paula. Un contenido más ampliado sería el texto completo de M.-C. Desjonqueres y D. Spanjaard. Un tratamiento alternativo se puede ver en los capítulos 1, 3, 5, 6 y 10 del texto de H. Lüth (4ª ed.). Por otra parte, los capítulos 2, 4, 5 y 7 del libro de Somorjai contienen mucha información experimental de interés. Se proporcionará a los estudiantes, a través del curso virtual de la asignatura, material complementario de este tema.
Orientaciones concretas
Es posible que los estudiantes no hayan cursado previamente estudios con contenidos que constituyen la base de esta asignatura. Estos estudiantes deberán hacer un esfuerzo para ponerse al día al menos en lo más básico de dichos contenidos, de manera que se recomienda que presten especial atención a las lagunas que piensen tienen en su formación previa.
El objetivo de este tema es el estudio de las principales propiedades asociadas a los procesos de transporte de masa y carga en los sistemas físico-químicos más habituales, todo ello a un nivel microscópico. Se tratan los movimientos de partículas en fluidos, la difusión, los procesos de crecimiento de las superficies y, finalmente, el caso de sistemas con partículas cargadas en disolución, los electrolitos.
Movimientos en gases y líquidos. Dinámica browniana. Procesos de difusión. Ecuación de Einstein-Smoluchowski
Yendo más allá de las aproximaciones más sencillas que se usan en la teoría cinética de los gases, el objetivo de esta primera parte es introducir los conceptos fundamentales del movimiento dentro de los fluidos, así como estudiar los fenómenos de difusión en fases condensadas.
Fenómenos de crecimiento y de transporte de partículas
Este apartado tiene como objetivo estudiar cómo se producen los fenómenos de crecimiento superficial, describiendo las posibles etapas de los procesos de nucleación, así como los de transporte de partículas y/o calor.
Propiedades generales de electrolitos en disolución. Teoría de Debye-Hückel y otras alternativas.
En esta última parte analizaremos la actividad de los iones en disolución, estudiando el efecto que tiene en las propiedades físicas la fuerte interacción (colombiana) entre los iones de la disolución electrolítica. Se propondrán modelos para estimar las actividades iónicas, especialmente en el caso de disoluciones suficientemente diluidas.
· Entenderán algunos de los modelos simples que describen de manera general la dinámica de muchos fenómenos cotidianos o de interés industrial en la materia condensada.
· Habrán comprendido que los procesos que describen la nucleación y el crecimiento cristalino son de índole muy general.
· Entenderán la interrelación entre los procesos microscópicos, que regulan por ejemplo la electrólisis, y los más generales del transporte clásico de carga y masa.
· Conocerán la importancia de hacer aproximaciones para la descripción básica (mediante modelos) de muchos de los problemas que estudia la física.
· Habrán entendido lo fundamental que resulta el justificar cada una de las distintas aproximaciones físicas que llevan a los modelos propuestos, con las ventajas que aportan y los inconvenientes que conllevan.
Este capítulo constituye una descripción clásica de temas básicos de la dinámica de la masa y la carga en la descripción de alguno de los fenómenos habituales de la física de la materia condensada. Constituye el fundamento del estudio del movimiento en fluidos, de los procesos electroquímicos, del crecimiento de las superficies, de la electrodeposición, etc., cuya aplicación a procesos científicos o industriales es muy conocida.
El material básico de este tema lo constituyen los capítulos 10 y 24 del libro de P. W. Atkins y J. de Paula. También se les proporcionará a los estudiantes, a través del Curso virtual de la asignatura, material complementario.
Aunque el tema trate los procesos de transporte de masa y carga en los sistemas físico-químicos más habituales de una manera esencialmente sencilla, conviene recordar que en los distintos apartados se tratan contenidos teóricos con una muy estrecha relación con aplicaciones prácticas.
Las nanoestructuras tienen un tamaño intermedio entre el tamaño típico de las moléculas (o la distancia interatómica en los sólidos) y las distancias microscópicas. Estas estructuras aportan propiedades que permiten diseñar dispositivos de mucha aplicación en la industria. Este tema es una introducción a dicho campo, y en él se presentan y discuten algunas de las principales propiedades de ese tipo de sistemas físicos.
Conceptos básicos. Nanoestructuras: caracterización y descripción
En esta parte introduciremos los aspectos más relevantes de las nanoestructuras y de las nuevas propiedades que presentan. Se hará también una descripción de las propiedades básicas de los sistemas cuánticos confinados.
Transporte electrónico en nanoestructuras
Los objetivos de esta parte son: introducir una descripción semiclásica del transporte de carga en los sistemas cuánticos confinados; conocer los conceptos mecanocuánticos básicos del flujo, la reflexión y la transmisión.
Espintrónica
En este apartado analizaremos cómo pueden controlarse y manipularse los grados de libertad de espín en sistemas de estado sólido. Se estudiarán los principios físicos subyacentes a la creación de polarización en portadores de espín, la dinámica del espín y el transporte de espín. Nótese que este transporte de espín difiere del transporte de carga en que el espín no se conserva en los sólidos.
Perspectivas en Nanotecnología
Para finalizar, describiremos algunos temas de investigación actuales en campos muy activos en nuestros días (nanotecnología, diseño de nuevos materiales, etc.). Los contenidos serán descriptivos, pero permitirán enmarcar el temario de la asignatura en aplicaciones prácticas actuales y líneas de investigación vigentes.
Una vez realizadas las actividades de aprendizaje previstas en este los estudiantes:
· Habrán comprendido los conceptos básicos de las nuevas propiedades físicas que aportan las nanoestructuras.
· Entenderán, tanto desde un punto de vista semiclásico como desde una descripción cuántica básica, la descripción teórica de los mecanismos de transporte en este tipo de sistemas.
· Conocerán cómo pueden utilizarse los grados de libertad de espín en sistemas de estado sólido para la polarización de portadores, así como de la dinámica y el transporte del espín.
· Habrán comprendido algunos conceptos básicos que aparecen en sistemas físicos de mucho interés (nanotecnología, diseño de nuevos materiales, etc.).
· Entenderán la importancia de aproximar la descripción física de un problema para poder proponer los modelos que se utilizan.
· Conocerán cuáles son los pasos para justificar adecuadamente cada una de esas aproximaciones físicas que llevan a los modelos.
· Entenderán la importancia de la asignatura para conocer algunos sistemas físicos que son de máxima actualidad.
La introducción que se presenta en este tema permitirá acercarse a muchas de las líneas punteras y de interés en la investigación actual (nanotecnología, diseño de nuevos materiales, etc.). Aunque se ha procurado proponer un nivel no muy elevado, parte de las descripciones que se ofrecen son de suficiente detalle como para que sirvan como escalón inicial para entender aplicaciones y temas de investigación muy en boga.
El material básico se proporcionara a los estudiantes en el Curso virtual, incluyendo sugerencias de una serie de lecturas de artículos científicos y de revisión. Como material complementarios puede consultarse el libro de D. Ferry y S. M. Goodnick (capítulos 1, 2 y 3). Una buena revisión de la espintrónica puede verse en el artículo Review of Modern Physics, vol. 76, págs. 323-410 (2004).
Para el apartado final, dado el enfoque más divulgativo, se darán referencias adecuadas a lo largo del curso, y según el interés de los estudiantes.
Dado que se quiere que los conocimientos acerquen al estudiante, según sus intereses, al mundo de las aplicaciones tecnológicas o a temas punteros de investigación, se darán referencias de artículos de revisión recientes en cada apartado, buscando cubrir de una manera más completa algunos de esos temas de investigación actuales que pudieran ser de su interés particular.
