Doctorado
  1. Química inorgánica  1.1. Química de coordinación  1.1.1. Teoría del campo de ligandos  1.1.2. Teoría del campo de cristales  1.1.3. Teoría del Orbital Molecular para Compuestos de Coordinación  1.1.4. Estabilidad de los compuestos de coordinación  1.1.5. Espectros electrónicos de compuestos de coordinación  1.1.6. Isomería en Compuestos de Coordinación  1.1.7. Cinética y mecanismo de reacciones de coordinación  1.2. Química Organometálica  1.2.1. Carbonilos Metálicos  1.2.2. Alquilo y arilo metálico  1.2.3. Carbenos de Fischer y Schrock  1.2.4. Añadido Oxidativo y Eliminación Reductiva  1.2.5. Hidruros Metálicos  1.2.6. Catalysis por compuestos organometálicos  1.2.7. Metalocénicos y Complejos Sandwich  1.2.8. CH activation  1.3. Química del estado sólido  1.3.1. Estructuras y redes cristalinas  1.3.2. Teoría de bandas y propiedades eléctricas  1.3.3. Defectos en el cristal  1.3.4. Síntesis de materiales en estado sólido  1.3.5. Propiedades magnéticas y ópticas de los sólidos  1.3.6. Superconductividad  1.3.7. Ionics de estado sólido  1.4. Química bio-inorgánica  1.4.1. Metaloproteínas y enzimas  1.4.2. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  1.4.3. El papel de los metales en la medicina  1.4.4. Catalización bioinspirada  1.4.5. Interacciones Metal-ADN  1.4.6. Complejos metálicos en la ciencia médica  1.5. Lantánidos y actínidos  1.5.1. Configuración electrónica y estados de oxidación en lantánidos y actínidos  1.5.2. Propiedades Espectrales y Magnéticas en Lantánidos y Actínidos  1.5.3. Separación y Extracción de Lantánidos y Actínidos  1.5.4. Química de coordinación de los elementos del bloque f  1.6. Main Group Chemistry  1.6.1. Química de los compuestos de boro  1.6.2. Química de los compuestos de silicio y germanio  1.6.3. Química de los Compuestos de Fósforo y Azufre  1.6.4. Química organosilícica  1.6.5. Química de Gases Nobles
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición y sustitución electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones Pericíclicas  2.1.7. Reacciones fotoquímicas  2.2. Estereoscópico  2.2.1. Quiralidad y actividad óptica  2.2.2. Análisis estructural  2.2.3. Efectos estereolectrónicos  2.2.4. Síntesis asimétrica  2.2.5. Estereoquímica dinámica  2.3. Química Organometálica en la Síntesis Orgánica  2.3.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.3.2. Reacciones de acoplamiento catalizadas por metales de transición  2.3.3. Reacciones catalizadas por paladio  2.3.4. Metátesis de olefinas  2.3.5. Catalización de oro y plata  2.4. Química de productos naturales  2.4.1. Alcaloides y terpenoides  2.4.2. Esteroides y Flavonoides  2.4.3. Síntesis total de productos naturales  2.4.4. Biosíntesis de productos naturales  2.5. Química Supramolecular  2.5.1. Química huésped-invitado  2.5.2. Autoensamblaje y reconocimiento molecular  2.5.3. Catalisis Supramolecular  2.5.4. Máquinas moleculares
  3. Química Física  3.1. T termodinámica  3.1.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.2. Potencial Químico y Equilibrio  3.1.3. Termodinámica estadística  3.1.4. Termodinámica de no equilibrio  3.2. Química Cuántica  3.2.1. Ecuación de Schrödinger y sus aplicaciones  3.2.2. Teoría de orbitales moleculares  3.2.3. Teoría del funcional de la densidad  3.2.4. Métodos post-Hartree–Fock  3.3. Cinética química  3.3.1. Teoría de la velocidad de reacción  3.3.2. Mechanism and rate laws  3.3.3. Catalisis y cinética enzimática  3.3.4. Dinámica de reacción  3.4. Espectroscopía y estructura molecular  3.4.1. Espectroscopia Infrarroja  3.4.2. Espectroscopia UV-visible  3.4.3. Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear  3.4.4. Espectrometría de Masas  3.4.5. Espectroscopía Raman  3.5. Química de Superficies y Coloides  3.5.1. Absorción y Catálisis  3.5.2. Surfactantes y micelas  3.5.3. Estabilidad Coloidal  3.5.4. Nanomateriales e Interfaces
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Eficiencia  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.1.4. Cromatografía iónica  4.2. Técnicas electroanalíticas  4.2.1. Voltametría y Polarografía  4.2.2. Conductometría y potenciometría  4.2.3. Colometría  4.3. Métodos Espectroscópicos  4.3.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.3.2. Espectroscopía de Fluorescencia  4.3.3. Difracción de rayos X  4.3.4. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  4.4. Quimiometría  4.4.1. Procesamiento de datos y métodos estadísticos  4.4.2. Análisis multidisciplinario  4.4.3. Aprendizaje Automático en Química Analítica
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.2. Métodos de química cuántica  5.3. Diseño de fármacos computacional  5.4. Aprendizaje automático en química  5.5. Dinámica molecular ab initio
  6. Biofísica y Química Medicinal  6.1. Descubrimiento y diseño de fármacos  6.2. Cinética enzimática e inhibición  6.3. Enfoque de biología química  6.4. Interacciones proteína-ligando  6.5. Química bioortogonal
  7. Química de materiales  7.1. Química de polímeros  7.1.1. Mecanismo de polimerización  7.1.2. Polímeros Funcionales  7.1.3. Polímero Biodegradable  7.1.4. Polímeros conductores y semiconductores  7.2. Nanoquímica  7.2.1. Nanopartículas y nanoestructuras  7.2.2. Nanomateriales basados en carbono  7.2.3. Quantum dots  7.3. Química Energética y Ambiental  7.3.1. Química de Baterías y Pilas de Combustible  7.3.2. Química verde y materiales sostenibles  7.3.3. Fotocatálisis

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Química de materiales


La química de materiales es un campo interdisciplinario que integra los principios de la química, la física y la ingeniería. Está dedicada a entender, diseñar y desarrollar materiales con propiedades novedosas. Estos materiales pueden ser invasivos en tecnología, importantes en medicina o simplemente para el uso cotidiano. El tema es vasto, abarcando muchos dominios, incluidos polímeros, cerámicas, metales, composites y nanomateriales.

Fundamentos de la química de materiales

Básicamente, la química de materiales se basa en el entendimiento de la estructura y propiedades de diferentes sustancias. Esto incluye los enlaces entre átomos, la disposición de estos átomos dentro de una sustancia y la importancia de las fuerzas entre ellos. Cuando estas disposiciones atómicas se manipulan, el resultado es un cambio en las propiedades de la sustancia.

Por ejemplo, la diferencia entre el diamante y el grafito, que están hechos de carbono, radica en su estructura. En el diamante, cada átomo de carbono forma cuatro enlaces covalentes en un patrón tetraédrico tridimensional:

            C /| / |  C--C--C /  | CC
            C /| / |  C--C--C /  | CC

En contraste, el grafito consiste en capas de átomos de carbono dispuestos en redes hexagonales bidimensionales:

            C---C---C  /  / CC /  /  C---C---C
            C---C---C  /  / CC /  /  C---C---C

Estas diferentes estructuras le dan al grafito su lubricidad y propiedades conductoras eléctricas, y al diamante su dureza y propiedades aislantes.

Tipos de materiales

Los materiales pueden clasificarse ampliamente en diferentes categorías: metales, cerámicas, polímeros y composites. Cada tipo de material tiene sus propias características y aplicaciones distintas.

Metales

Los metales se caracterizan por su capacidad para conducir electricidad y calor, su maleabilidad y, a menudo, su ductilidad. Los enlaces metálicos y las estructuras densamente empaquetadas son responsables de estas propiedades. Un ejemplo de esto es el mar de electrones en los enlaces metálicos que permite una excelente conductividad:

            + - + - + - | | | + - + - + - | | | + - + - + -
            + - + - + - | | | + - + - + - | | | + - + - + -

Metales como el hierro, el aluminio y el cobre son importantes en la construcción, el cableado eléctrico y muchas aleaciones.

Ollas de barro

Las cerámicas son materiales típicamente frágiles y no conductores compuestos de elementos metálicos y no metálicos. Su resistencia y resistencia al calor se deben a los enlaces iónicos y covalentes:

            M+ - N-  / O--MO^   N+ - M- / /  --MO--
            M+ - N-  / O--MO^   N+ - M- / /  --MO--

Las cerámicas se utilizan en alfarería, naves espaciales e implantes médicos.

Polímero

Los polímeros tienen largas cadenas moleculares y pueden ser naturales, como el caucho, o sintéticos, como el plástico usado en botellas. Las propiedades de los polímeros son altamente personalizadas modificando los monómeros y el proceso de polimerización. Aquí hay un ejemplo de una cadena de polímero:

            HHHH | | | | -C—C—C—C— (unidad repetitiva)- | | | | HHHH
            HHHH | | | | -C—C—C—C— (unidad repetitiva)- | | | | HHHH

Composites

Los composites son materiales hechos de dos o más componentes que tienen propiedades diferentes. Trabajan sinérgicamente para proporcionar una mejor resistencia mecánica, durabilidad y propiedades estéticas. Algunas aplicaciones son el vidrio reforzado con fibra y nanotubos de carbono.

Nanomateriales

Los nanomateriales se han convertido en un campo importante dentro de la química de materiales debido a sus propiedades únicas en una escala de menos de 100 nanómetros. Estos materiales exhiben altas razones de área superficial a volumen, que impactan las propiedades catalíticas, electrónicas y mecánicas.

Por ejemplo, las nanopartículas de oro, a pesar de ser conocidas como un metal inerte, muestran actividad catalítica en forma nano y exhiben colores debido a la resonancia plasmónica:

            Partícula de oro nano Color: Rojo o Púrpura Propiedad catalítica: Activa
            Partícula de oro nano Color: Rojo o Púrpura Propiedad catalítica: Activa

Las aplicaciones de los nanomateriales incluyen sistemas de administración de medicamentos, electrónica y remediación ambiental.

Aplicaciones de la química de materiales

La química de materiales contribuye de manera significativa a diversos campos como la energía, la salud y la electrónica, y es esencial para el avance de la tecnología.

Energía

En el campo de la energía, la química de materiales tiene como objetivo mejorar la eficiencia de dispositivos de almacenamiento y conversión de energía como baterías, pilas de combustible y fotovoltaicos. Las baterías de iones de litio utilizan materiales intercalados para una eficiente transferencia de energía:

            LiCoO2 + C6Lix ⟶ CoO2 + C6Lix
            LiCoO2 + C6Lix ⟶ CoO2 + C6Lix

Las innovaciones en electrolitos y materiales de electrodos han expandido aún más los límites del almacenamiento de energía.

Salud

En el campo de la salud, la química de materiales es fundamental en el desarrollo de implantes biocompatibles y sistemas de administración de fármacos. Los polímeros y los composites se diseñan para interactuar de manera segura con el tejido humano, liberando medicamentos a una tasa controlada. Las consideraciones sobre las propiedades del material aseguran la seguridad y eficacia.

Electrónica

Los avances en química de materiales han revolucionado la industria electrónica. Los semiconductores, diodos emisores de luz (LEDs) y materiales conductores transparentes son solo algunos de los resultados de la innovación en materiales. Ejemplos emocionantes incluyen el desarrollo de diodos emisores de luz orgánicos (OLEDs) que prometen soluciones de iluminación más eficientes:

            Emisión de luz: Capa orgánica + Carga eléctrica ⟶ Fotón
            Emisión de luz: Capa orgánica + Carga eléctrica ⟶ Fotón

El futuro de la química de materiales

A medida que miramos hacia el futuro, la química de materiales continuará desempeñando un papel central en la resolución de desafíos sociales como la energía sostenible, el agua limpia y la salud ambiental.

En particular, el desarrollo de materiales inteligentes y sistemas adaptativos puede conducir a avances sin precedentes en tecnología y el entorno de vida. Los materiales inteligentes que responden a estímulos ambientales prometen aplicaciones que van desde estructuras auto-reparadoras hasta ropa adaptable:

            Comportamiento receptivo: Estímulo ambiental ⟶ Cambio en propiedad del material
            Comportamiento receptivo: Estímulo ambiental ⟶ Cambio en propiedad del material

En última instancia, la investigación interdisciplinaria y la colaboración moverán el campo hacia adelante, creando oportunidades para la innovación y la mejora en la calidad de vida humana.

Entender los principios y aplicaciones de la química de materiales no solo nos capacita para innovar, sino que también nos brinda las herramientas para abordar desafíos globales. Estudiar esta ciencia es dinámico y requiere una exploración constante, y sus beneficios van más allá de cualquier disciplina, tocando cada aspecto de nuestras vidas diarias.


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