EFECTOS DE NANOESCALA EN MATERIALES CONDUCTORES IÓNICOS CARLOS LEON YEBRA Departamento de Física Aplicada III, UCM
Los materiales conductores iónicos se utilizan hoy ampliamente como electrolitos en baterías de estado sólido y en pilas de combustible. Las propiedades eléctricas y por tanto la funcionalidad del electrolito en estos dispositivos depende críticamente de su carácter policristalino, debido a la existencia de fronteras de grano que dificultan el transporte de los iones a través del material. No obstante, el mecanismo que da lugar al bloqueo de los iones en estas regiones interraciales no está aún bien establecido. En nuestro grupo hemos logrado recientemente caracterizar con éxito el transporte a través de una única frontera de grano en un bicristal de zirconia estabilizada con ytria, un conductor de oxigeno utilizado en rilas de combustible de oxido sólido. Las medidas de espectroscopia dieléctrica de banda ancha evidencian e origen electrostático de la barrera para el transporte de iones a través de la frontera. Los resultados son además consistentes con las imágenes obtenidas mediante microscopia electrónica a escala sub-Angstrom. Por otra parte, en algunas interfases se ha observado un aumento de la conductividad iónica cuando el transporte es paralelo a la interfase. Los resultados experimentales muestran en este caso que la formación de una zona de carga espacial, o el desorden estructural inducido por la reconstrucción atómica en estas interfases, podrían explicar dicho aumento.
Vídeo producido por el Gabinete de Tele-Educación de la Universidad Politécnica de Madrid
La revista digital ‘Nature Communications’ se hace eco de los resultados de un estudio coordinado por científicos españoles en torno a las propiedades de determinadas nanopartículas dieléctricas, debido a su forma inusual de difundir la radiación electromagnética, que abren nuevas puertas en el campo del control de la dirección de la luz.
Un experimento realizado por un equipo internacional de investigadores, coordinados por la Universidad de cantabria, abre las puertas a nuevos avances en el campo del control de la dirección de la luz, y por tanto en el mundo de las antenas para comunicaciones, tanto en el rango convencional (gigahertzios) como en el óptico (nanoantenas).
El rango de microondas con el que se ha trabajado y los materiales empleados tienen potenciales aplicaciones relacionadas con el desarrollo de nuevas tecnologías en medicina y biología (nanosensores), comunicaciones (ordenadores ópticos y nanoantenas), metamateriales y nuevos materiales a la carta, almacenamiento de energía (células solares), etc.
Las partículas estudiadas, de menor tamaño que la longitud de la onda excitadora, presentan propiedades no habituales, pues son capaces de inhibir la radiación tanto en la dirección hacia adelante como hacia atrás, todo ello sin presentar pérdidas de resistencia eléctrica, a diferencia de los materiales hasta ahora utilizados, los metales.
Estas propiedades, conocidas como magnetodieléctricas, fueron predichas teóricamente hace 30 años pero no habían podido ser demostradas experimentalmente sin ambigüedad hasta la fecha, dada la dificultad del experimento.
Uno de los aspectos más atractivos de la investigación es la completa ‘reescalabilidad’ del problema, de modo que las propiedades caracterizadas pueden trasladarse a diferentes rangos espectrales, desde el de microondas hasta el óptico. De esta forma, partículas de unas centenas de nanómetros y hechas de materiales semiconductores como el silicio o el germanio podrían constituir la base para aplicar los resultados obtenidos en los rangos del espectro visible y del infrarrojo cercano (entre 0,5 y 2 micrómetros).
El equipo investigador está coordinado por miembros del Grupo de Óptica, entre ellos los profesores Fernando Moreno y Francisco González, e integrado además por expertos del Instituto Fresnel de Marsella (Francia), el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, la Universidad Autónoma de Madrid y el Donostia International Physics Center.
Andreas Ostendorf’s plenary presentation at SPIE Photonics West 2011.
Particles can exhibit interesting effects when illuminated by laser irradiation. Depending on the size, refractive index and the used wavelength high-quality optical resonances can occur making dielectric particles an interesting probe in many sensor applications. Also, a set of particles can be trapped and manipulated by tightly focused laser beams. It will be shown how this technology can be used in a new all- optical assembly line for microstructures when joining the particles e.g. by chemical and thermal processes. Finally, laser pulses are capable of generating nanoparticles with unique properties. Size, constitution and functionality can be tailored by choosing the right laser parameters.
Un equipo del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha participado en el desarrollo de un nanodispositivo inteligente que sienta las bases para el desarrollo futuro de nuevas terapias contra el envejecimiento. El sistema consiste en nanopartículas que liberan selectivamente sustancias de uso terapéutico en células humanas envejecidas. Su potencial abarca desde el tratamiento de enfermedades que implican degeneración tisular o celular (cáncer, Alzheimer o Parkinson), hasta el de patologías de envejecimiento acelerado (progerias). El trabajo ha sido publicado en Angewandte Chemie.
“El nanodispositivo consiste en nanopartículas mesoporosas que contienen en la superficie externa un galactooligosacárido que impide la salida de la carga y que se abre de forma selectiva en células en fase degenerativa o células senescentes. Hemos demostrado por primera vez que se pueden liberar sustancias concretas en unas células determinadas”, apunta Ramón Martínez Máñez, investigador de la Universitat Politècnica de València.
Detrás de esta investigación se encuentra el Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (centro mixto del CSIC y la Universitat Politècnica de València), el Centro de Reconocimiento Molecular y Desarrollo Tecnológico (Unidad Mixta de la Universitat Politècnica de València y la Universitat de València), el Instituto de Investigaciones Biomédicas (mixto del CSIC y la Universidad Autónoma de Madrid), el CIBER de Enfermedades Raras (CIBERER) y el CIBER en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER‐BBN).
José Ramón Murguía, investigador del Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas explica que la senescencia es un proceso fisiológico del organismo para eliminar células envejecidas o con alteraciones que pueden comprometer su viabilidad. “Cuando somos jóvenes los mecanismos de senescencia previenen, por ejemplo, la aparición de tumores. El problema es que con la edad las células senescentes se van acumulando en órganos y tejidos, alterando su correcto funcionamiento. La eliminación de dichas células ralentizaría la aparición de enfermedades asociadas al envejecimiento. Nuestro trabajo demuestra que se puede desarrollar una terapia selectiva contra dichas células”, señala Murguía.
Los investigadores han evaluado la utilidad de los nuevos nanodispositivos en cultivos celulares primarios derivados de pacientes con el síndrome de envejecimiento acelerado Disqueratosis Congénita. Dichos cultivos presentan un alto porcentaje de senescencia, caracterizada por elevados niveles de actividad de betagalactosidasa, una enzima característica del estado senescente. “Las células envejecidas sobreexpresan esta enzima; las nanopartículas que hemos diseñado se abren ante su presencia, liberando su contenido para eliminar las células senescentes, prevenir su deterioro o incluso reactivarlas para su rejuvenecimiento”, explica Murguía.
“Hay un número importante de enfermedades asociadas con envejecimiento prematuro de algunos tejidos, muchas de ellas afectan a pacientes muy jóvenes y para las cuales no hay alternativa terapéutica, como es el caso de la Disqueratosis Congénita o la anemia aplásica y otras afectan más a adultos, como es el caso de la fibrosis pulmonar idiopática o la cirrosis hepática. Estas nanopartículas representan una oportunidad única de suministrar compuestos terapéuticos de forma selectiva a los tejidos afectados y rescatar la viabilidad y funcionalidad de los mismos” explica Rosario Perona, Investigadora del Instituto de Investigaciones Biomédicas.
Terapias cosméticas
El siguiente paso de esta investigación es probarla con agentes terapéuticos y validarlo en modelos animales. “Es la primera vez que se ha descrito una nano‐terapia para células senescentes. A pesar de que el camino hasta la posible eliminación de células senescentes o terapias de rejuvenecimiento aún es largo, creemos que nuestra investigación puede abrir nuevas vías para el desarrollo de terapias para el tratamiento de enfermedades relacionadas con la edad”, indica Martínez Máñez.
Según apuntan los investigadores, el nanodispositivo que han diseñado puede ser útil además para el desarrollo de terapias cosméticas de uso tópico para el cuidado y embellecimiento de la piel y el cabello, como efecto anti‐arrugas o antienvejecimiento, como protector contra la radiación UV o para hacer frente a la alopecia, todos ellos asociados a la acumulación de células senescentes.
Alessandro Agostini, Laura Mondragón, Andrea Bernardos, Ramón Martínez‐Máñez, M. Dolores Marcos, Félix Sancenón, Juan Soto, Ana Costero, Cristina Manguan‐García, Rosario Perona, Marta Moreno‐ Torres, Rafael Aparicio‐Sanchis, José Ramón Murguía. Targeted Cargo Delivery in Senescent Cells Using Capped Mesoporous Silica Nanoparticles. Angewandte Chemie. DOI:10.1002/anie.201204663.
Investigadores de la Universidad de Stanford (EEUU) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) han desarrollado un material que imita las propiedades exóticas del grafeno. El trabajo, que se publica esta semana en ‘Nature’, abre la vía para sintetizar a gran escala materiales con propiedades parecidas al grafeno y nuevos dispositivos a medida.
Un equipo internacional con participación del investigador del Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid (CSIC) Francisco Guinea ha conseguido fabricar un material que imita las propiedades exóticas del grafeno. El trabajo, que aparece publicado en el último número de la revista Nature, puede ayudar a sintetizar materiales con propiedades cualitativamente similares al grafeno a gran escala, así como a disponer de nuevos dispositivos a medida.
El grafeno, a caballo entre un metal y un semiconductor, es bidimensional y se caracteriza por tener una sola capa de átomos de carbono colocados en una red hexagonal; es transparente, impermeable, duro y elástico y tiene ciertas deformaciones que dan lugar a campos magnéticos muy elevados. Cuando los premios Nobel de Física 2010 Andre Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester, consiguieron aislar este material hace ocho años, abrieron también las puertas al conocimiento de estas propiedades únicas.
Silicio Multicristalino para Aplicaciones Fotovoltaicas
Mechanical characterization of wafer equivalents from wire-sawing to thin film deposition TERESA ORELLANA Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) Freiburg, Alemania
The epitaxial wafer equivalent concept at Fraunhofer ISE promises product cost reduction by depositing 20 μm crystalline silicon thin film by CVD on a low cost silicon substrate [2].The substrate of the wafer equivalent should provide a good mechanical strength while the epitaxial layer is responsible for the electrical performance of the final solar cell (Epi-Cell).
At Fraunhofer ISE, multicrystalline silicon blocks between 20 kg and 250 kg are crystallized via directional solidification. The crystallization is done in a Vertical Gradient Freeze (VGF) furnace with graphite heaters.
Silicon is put into a fused silica crucible (SiO2), which is coated with a silicon nitride (Si3N4) liner to prevent a chemical reaction between crucible and silicon.
Multicrystalline high boron doped silicon and up-graded metallurgical silicon (UMG-Si) are crystallized for manufacturing the substrate of the epitaxial wafer equivalent, thus saving the costs for high purity silicon material. Using silicon as a substrate reduces problems arising from differences in thermal expansion coefficients and misfit of lattice parameters. The Epi-Cell can also benefit from manufacturing cost reduction if the wafer equivalent presents a sufficient mechanical strength to ensure subsequent high processing yield until the production of final solar cells.
Seminarios Internacionales de
Fronteras de la Ciencia de Materiales Aula de Seminarios Departamento de Ciencia de Materiales E. T. S. de Ingenieros de Caminos, UPM C/ Profesor Aranguren s.n. 28040 Madrid
Para más información contactar con: Dr. José Ygnacio Pastor (+34) 913 366 684.
POTENCIALES APLICACIONES PILAR AMO OCHOA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA INORGÁNICA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID. ESPAÑA
El seminario, pretende introducir a los asistentes en los conceptos básicos de lo que es un polímero de coordinación y las características que deben poseer para presentar propiedades físicas de interés (ej. Eléctricas) que los hagan potencialmente útiles para la fabricación de "nanocomponentes", con el objetivo de fabricar circuitos basados en moléculas o sensores.
Partiendo de técnicas bottom-up y aprovechando la capacidad de autoensamblaje de forma espontánea que tienen los bloques de construcción (iones metálicos y ligandos) para formar sistemas más complejos como los polímeros de coordinación, grupos de investigación de la Universidad Autónoma de Madrid (F. Zamora y J. Gómez-Herrero) y de la Universidad Complutense de Madrid (R. Jiménez-Aparicio) planteamos la obtención de nuevos nanomateriales de diferentes dimensionalidades (1D y 2D) basados en este tipo de compuestos.
Presentamos además nuevas técnicas de procesado y nuevos métodos de separación y adsorción en superficie que nos permitan su manipulación y medir el transporte eléctrico en moléculas individuales.
Seminarios Internacionales de
Fronteras de la Ciencia de Materiales Aula de Seminarios Departamento de Ciencia de Materiales E. T. S. de Ingenieros de Caminos, UPM C/ Profesor Aranguren s.n. 28040 Madrid
Para más información contactar con: Dr. José Ygnacio Pastor (+34) 913 366 684.
INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DE VASIJAS NUCLEARES EN BASE A LA CURVA PATRÓN OBTENIDA MEDIANTE PROBETAS RECONSTRUIDAS
DIEGO FERREÑOBLANCO
DEPARTAMENTO DE CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
RESUMEN
La vasija a presión constituye el componente estructural de los reactores nucleares de mayor importancia desde el punto de vista de la seguridad, debido a su misión de contención del núcleo. La fluencia neutrónica recibida por el acero constitutivo de la vasija provoca una degradación de sus propiedades mecánicas que conduce a su fragilización. Tradicionalmente, la evolución del comportamiento en fractura se ha evaluado ensayando, a lo largo de la vida del reactor, probetas de impacto charpy alojadas en el interior de la vasija con la puesta en funcionamiento de la planta y extraídas periódicamente.
En este trabajo se ha caracterizado el acero, virgen e irradiado, de la vasija de una central nuclear española actualmente en servicio, en la región de temperaturas conocida como zona de transición dúctil-frágil. Para ello, se han empleado probetas propias de la mecánica de fractura, reconstruidas a partir de mitades de probetas de impacto previamente ensayadas, optimizando de esta forma el aprovechamiento del material. Para describir la tenacidad a fractura en la zona de transición se ha empleado el modelo de la curva patrón, de reciente desarrollo.
Finalmente, se ha cuantificado el impacto del procedimiento de caracterización y del modelo de la curva patrón sobre la integridad estructural de la vasija, comparando sus predicciones con las que se obtienen de aplicar los procedimientos convencionales que contempla la normativa vigente, representada por el código ASME. En esta comparación se ha hecho uso del procedimiento fitnet de integridad estructural, publicado en fechas recientes.
SEMINARIOS DE FRONTERAS DE LA CIENCIA DE MATERIALES
Lunes 14 de diciembre de 2009
DEPARTAMENTO DE CIENCIA DE MATERIALES
Universidad Politécnica de Madrid
E. T. S. de Ingenieros de Caminos
Video Realizado por el Gabinete de Tele-Educación de la Universidad Politécnica de Madrid.
Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y del Instituto de Nanociencia de Aragón, observan por vez primera, de forma directa, el desplazamiento conjunto de haces de vórtices superconductores predichos por P.W. Anderson en 1962, y determinan los mecanismos microscópicos de su dinámica.
Los superconductores expulsan los campos magnéticos hasta un cierto valor, a partir del cual, o bien pierden la superconductividad (los denominados de tipo uno, como el plomo o el aluminio) o no la pierden hasta que el campo, parcialmente expulsado, penetra completamente (los de tipo dos, en los que el campo penetra parcialmente por los bordes en forma de vórtices cuánticos, creándose una estructura magnética ordenada, la red de Abrikosov). El diámetro de un vórtice en un superconductor de tipo dos es 10.000 veces más pequeño que el de un cabello humano. Las interacciones entre vórtices son de naturaleza cuántica. De hecho, los vórtices son como pequeños “tornados” o remolinos cuánticos, en los que circula a gran velocidad una corriente eléctrica permanente (o supercorriente).
En un superconductor ideal, los vórtices se distribuyen uniformemente, y su densidad aumenta proporcionalmente con campo magnético aplicado, manteniendo una estructura ordenada que, generalmente, forma una red hexagonal. En los superconductores reales, los defectos y/o impurezas presentes en el material anclan los vórtices a su paso por ellos, dificultando su movimiento y produciendo desorden en la red. Esto permite aumentar el rango de campos magnéticos en el que los superconductores se comportan como tal. De hecho, en los destinados a uso industrial, los denominados duros, se dificulta al máximo la penetración de los vórtices, mediante la inclusión de centros de anclaje.
La optimización de este proceso es problema de la ciencia de materiales de enorme interés económico. En los superconductores duros, la densidad de vórtices disminuye rápidamente hacia el centro de la muestra, generando una situación de no equilibrio conocida como estado crítico. Este estado de no equilibrio puede alterarse, por ejemplo, en respuesta a un aumento de campo, que actúa modificando el perfil de densidad para acoplar a los nuevos vórtices que entran. Hay por tanto una presión por entrar cuya relajación conduce a un avance hacia el centro del frente de vórtices. En cada etapa el sistema alcanza un nuevo estado crítico.
El movimiento de los vórtices depende de un balance muy delicado entre la repulsión entre ellos, su interacción con los centros de anclaje, y la fuerza de Lorentz debida a las corrientes inducidas en el superconductor por el gradiente de campo magnético presente en su interior. En 1962 Philip Warren Anderson propuso un mecanismo para este avance: los vórtices sortean los obstáculos no de forma individual, sino que varios vórtices juntos forman un haz que se desplaza, relajando localmente la sobrepresión. Conocer y controlar los mecanismos internos que rigen el movimiento de estos haces, es un tema que ha sido objeto de muchas investigaciones, y que sigue abierto, dado que no ha sido posible hasta ahora acceder a una visualización directa de los vórtices durante su desplazamiento.
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