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98 AVANCES Investigación en Ingeniería - 2006 No. 5

DESARROLLO SOSTENIBLE Y

TECNOLOGÍA

RESUMEN

Se presenta de forma sintetizada los tópicos generalesque se tendrán en cuenta en los estudios dedesarrollo de nuevos materiales, mediante pruebasexperimentales y modelación teórica. Sus aplicacionesse realizarán teniendo en cuenta sistemas en el ordende escala nanométrica hasta sistemas en volumen(por encima de los milímetros). Se tendrán sistemascristalográficamente ordenados, semi-ordenados ydesordenados para los estudios nanométricos. Losdesarrollos de simulación teórica se realizaránmediante modelos ab-initio fundamentados en la DFT.

PALABRAS CLAVES

Nanotubos, fullerenos, DNA, Motor Molecular,Polímeros, Materiales en Volumen, Nanotecnología,Ingeniería de Materiales, ab-initio.

ABSTRACT

This paper present of synthesized form the general topicsthat will consider in the studies of development of newmaterials, by means of experimental tests and theoreticalmodeling. Their applications will be made having inaccount systems in the order of manometer scale until

Henry Mauricio Ortiz SalamancaMsc. Materiales. Docente Investigador Universidad Libre.

AAAAARTÍCULORTÍCULORTÍCULORTÍCULORTÍCULO DEDEDEDEDE I I I I INVESTIGACIÓNNVESTIGACIÓNNVESTIGACIÓNNVESTIGACIÓNNVESTIGACIÓN C C C C CIENTÍFICAIENTÍFICAIENTÍFICAIENTÍFICAIENTÍFICA YYYYY T T T T TECNOLÓGICAECNOLÓGICAECNOLÓGICAECNOLÓGICAECNOLÓGICA

NUEVOS MATERIALES

systems in volume (over the millimeters). Ordered, semi-ordered and disordered systems will be hadcrystallographic for the nanometer scale studies. Thedevelopments of theoretical simulation will be made bymeans of models ab-initio based on the DFT.

KEY WORDS

Nanotubs, Fullerenes, DNA, Molecular Motor, Polymers,Bulk Materials, Nanotechnology, Engineering ofMaterials, ab-initio.

INTRODUCCIÓN

Una amplia dinámica de los estudios de nuevosmateriales, respecto al desarrollo y obtención, estabasada en los estudios del comportamiento de losconstitutivos. En este marco se estudia el ensamble delos átomos de forma organizada, desorganizada y entreel orden y el desorden. Estos trabajos se fundamentanen el conocimiento de sus propiedades Físicas yQuímicas buscando obtener y predecir elcomportamiento de como se organizan, se unen,reaccionan, adquieren energía, se mueven losconstitutivos, es decir, se busca conocer laspropiedades que ellos poseen cuando las dimensionesson del orden de sus constitutivos (escala nanométrica).

Fecha de recepción del artículo: 5 de diciembre de 2005.Fecha de aceptación del artículo: 8 de marzo de 2006.

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AVANCES Investigación en Ingeniería - 2006 No. 5

1. FUNDAMENTO

Como fundamento inicial para diseñar y construirpelículas delgadas, tubos de átomos, redes demateriales secundarios, terciarios (hechos a partirde dos o tres átomos) entre otras y con ellas obteneraplicaciones orientadas a la litografía, el desarrollode materiales magnéticos (sistemas de almacenaje),motores moleculares, sensores biológicos, etc.

Otros de los estudios de Materiales esta en regímenesdonde escalas son del orden de las micras, comomínimo, denominadas estudios en Volumen (Continuo).Este amplio espectro de la tecnología de materialescapaces de ser adaptados a las necesidades delhombre, es la motivación particular de las iniciativasde investigación en materiales en volumen, que seocupa principalmente de las propiedades Físicas yMecánicas; clasificación, procesamiento y usos de lasdiversas manifestaciones de la materia.

Como por ejemplo, se presenta en el caso de laobtención de materiales a partir de sus minerales,denominada metalurgia extractiva, y la que seencarga del estudio de las propiedades de losmateriales en razón con su estructura, metalurgiaadaptiva. Cuando se entiende por estructura, todotipo de ordenamiento interno que va desde lasdimensiones atómicas, siguiendo a las dimensionesen las que se genera su estructura cristalina,llegando a las microestructuras, pasando a lamacroestuctura. Sus aplicaciones decantan en lageneración de materiales metálicos, plásticos, fibras,películas delgadas, materiales compuestos cuyaaplicación estará orientada según los sectores dela economía que lo requiera como una de lasaplicaciones de la Ingeniería.

En países como en nuestro la facilidad para tenerequipos de medida experimental y de desarrollo esmuy poca (la inversión en ciencia y tecnología estataly privada es mínima) creando dificultades para larealización de estos estudios, ya sea en escalasnanométricas o de las micras al volumen. Al tenerposibilidades de comunicación con grupos deinvestigación que posean la infraestructura deequipos y de herramientas de simulación se realizanestudios pertinentes con un factor importante en eldesarrollo de nuevos materiales. Otra alternativa estábasada en realizar estudios mediante simulaciónteórica usando herramientas computacionales las

Figura 1. Muestra como a partir de lasescalas longitud y tiempo se ilustra el régimen

de las ciencias básicas y su relación conla Ingeniería.

Figura 2. El estudio de las propiedades físicasy químicas de los materiales en sus diferentes

escalas determina la forma como se realizan losprocesos de ensamble de las moléculas que

comprenden el material.

Figura 3. Simulación basada en modelosab-initio de la energía en función del volumen

del comportamiento de la unión de dos caminoslitográficos en un chip.

Esquema de síntesis de obtención de monómerosmonoduales y esamblajes de los mismos

Monómero monodualderivado del adamantano

(doble huésped)Síntesis monómero homodualdoble-huésped (macho)

Síntesismonómero

homodual

doble-hospedador

(hembra)

Complejación Ensamblaje

polimero supramolecular lineal



TECNOLOGÍA

cuales buscan predecir el comportamiento de lasdiversas propiedades que se estudien en el desarrollode nuevos materiales.

Estas herramientas están hechas mediante el usode procedimientos teóricos físicos, químicos,matemáticos y computacionales que den cuenta delas propiedades de estudio del material. Una de lasbases teóricas en la que se sustentan estosprocedimientos de cálculo es la Teoría del Funcionalde la Densidad (Density Functional Theory, DFT) quesirve de fundamento para la realización de cálculosab-initio o de primeros principios.

El estudio de nuevos materiales en el orden de losnanómetros está, en buena parte, orientado hacia lasaplicaciones de los nuevos tipos de cristalizacionesdel átomo de carbono llamados Fullerenos. Estosmateriales están siendo usados para generar motorescuya movilidad se extrae de la célula dando origen a lainvestigación de motores moleculares. También, en sualargamiento (por su simetría) se convierten en tubosdelgados y largos con características de dureza muyalta, con procesos de absorción, desorción, absorciónque hacen que se puedan encapsular dentro de éldiferentes elementos o sistemas biológicos como elADN. Su problemática, en nuestro medio es lasinterización de estas estructuras pero con resultadosteóricos de simulación se alcanzan grandes avancespara la realización de ellos.

Otros tipos se materiales son los puntos cuánticos osistemas aislados donde su comportamiento permiteconocer toda la información posible del sistema,debido al aislamiento en el que se encuentra, lassuperredes o enfilamiento de diferentes tipos demateriales cuyas propiedades cambian gracias alorden en que se alineen

Figura 4. Nanotubos de carbono, uno de lossistemas de materiales nanométricos que más

desarrollo tiene debido a sus propiedades.

En ese orden, las áreas básicas se entrelazan consus estudios para fortalecer y colaborar con losdesarrollos de biotecnología y ciencia de los materialespara la creación de nuevos dispositivos, ya que losaparatos de medición tienen resoluciones del ordende los nanómetros y con ellos se pueden realizarprocesos de manipulación atómica como lo muestrael logo de la figura 7, el cual es echo a partir de átomos

Entre mayor sea el conocimiento de las propiedadesFísicas y Mecánicas mayor será la posibilidad dedecantar en un nuevo sistema, ya que losexperimentos son mas fáciles de manipular, lograndosintetizarlos de una forma eficiente en el laboratorio.

Figura 5. El color rojo son puntos cuánticosy con ellos se están determinando la existencia

de células cancerígenas en la próstata.Son utilizados como marcadores celulares.

Figura 6. Áreas básicas entrelazadaspara el desarrollo de nuevos dispositivos

en Ingeniería

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Estas propiedades, para el material en volumen, seobtienen (en algunos casos) mediante técnicasexperimentales que están basadas en ensayos opruebas destructivas o no destructivas, que a lapostre sirven para determinar las diferentesaplicaciones que se puedan decantar de lacaracterización de cada propiedad.

Propiedades físicas: Dependen de la estructuray procesamiento del material. Describencaracterísticas como color, conductividad eléctricao térmica, magnetismo y comportamiento óptico,generalmente no se alteran por fuerza que actúansobre el material. Pueden dividirse en: eléctricas,magnéticas y ópticas

Propiedades mecánicas: Describen la forma enque un material soporta fuerzas aplicadas,incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto,cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altas temperaturas.Las anteriores propiedades mecánicas se valorancon exactitud mediante ensayos mecánicos. Ensayode tracción, ofrece una idea aproximada de latenacidad y elasticidad de un material. Ensayos dedureza, permiten conocer el grado de dureza delmaterial. Ensayos al choque, su práctica permiteconocer la fragilidad y tenacidad de un material.Ensayos tecnológicos ponen de manifiesto lascaracterísticas de plasticidad que posee un materialpara proceder a su forja, doblado, embutido, entreotras.

A partir de estos estudios los materiales se clasificangeneralmente en cinco grupos: metales, cerámicos,polímeros, semiconductores y materiales compuestos.

Cerámicos. Tienen baja conductividad eléctrica ytérmica y son usados a menudo como aislantes. Sonfuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos.Nuevas técnicas de procesos consiguen que loscerámicos sean lo suficientemente resistentes a lafractura para que puedan ser utilizados enaplicaciones de carga. Dentro de este grupo demateriales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, laporcelana, los refractarios y los abrasivos y losSuperconductores.

Metales. Tienen como característica una buenaconductividad eléctrica y térmica, alta resistencia,rigidez, ductilidad. Son particularmente útiles enaplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones(combinaciones de metales) conceden algunapropiedad particularmente deseable en mayorproporción o permiten una mejor combinación depropiedades.

Semiconductores. Su conductividad eléctricapuede controlarse para su uso en dispositivoselectrónicos. Son muy frágiles.

Polímeros. Son grandes estructuras molecularescreadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen bajaconductividad eléctrica y térmica, reducida resistenciay debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Lospolímeros termoplásticos, en los que las cadenasmoleculares no están conectadas de manera rígida,tienen buena ductibilidad y conformabilidad; encambio, los polímeros termoestables son másresistentes, a pesar de que sus cadenas molecularesfuertemente enlazadas los hacen más frágiles.

Figura 7. Logo de la IBM a partir de átomosmediante manipulación atómica.

Figura 8. Metal: Tiene una gran cantidad deelectrones en la banda de conducción del material

por ende, no posee brecha de energía prohibida(GAP). Semiconductor: se observa claramente lasbandas de valencia y de conducción con su GAP(energías entre los 1eV y los 5eV) característica

propia de estos materiales.

Metal Semiconductor Semi-Metal

GAP



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Materiales compuestos. Como su nombre loindica, están formados a partir de dos o másmateriales de distinto grupos, produciendopropiedades que no se encuentran en ninguno delos materiales de forma individual

Una de las técnicas utilizadas para determinar elcomportamiento mecánicos de los materiales son losensayos no destructivos, que consisten en exámenesa un objeto efectuado de cualquier forma que noimpida su utilidad futura. Aunque en la mayoría de

los casos, las pruebas no destructivas no dan unamedición directa de las propiedades mecánicas, sonmuy valiosas para localizar defectos en los materialesque podrían afectar el funcionamiento de una piezade una máquina cuando entra en servicio.

Dicha prueba se emplea para detectar materialesdefectuosos antes de que las partes componentessean formadas o mecanizadas; para detectarcomponentes defectuosas antes de ensamblar; paramedir el espesor de un metal u otros materiales;para determinar el nivel de líquido o el contenido desólido en recipientes opacos; para identificar yclasificar materiales; y para descubrir defectos quepudieran desarrollarse durante el procesamiento oel uso.

Técnicas para la inspección superficial. Seemplean para inspeccionar la sanidad en la superficiedel material de la pieza o componente. Por lo generaldetectan discontinuidades en la superficie, o aprofundidades no mayores a 6 mm. Las técnicas deeste tipo más conocidas y empleadas son lainspección visual (VT); los líquidos penetrantes (PT);las partículas magnéticas (MT); y las corrientesparásitas, o corrientes Eddy (ET).

Técnicas de inspección volumétrica. Se utilizanpara conocer la sanidad de un material y detectardiscontinuidades generalmente ocultas en suestructura interna. En este caso, las técnicas máscomunes son el ultrasonido industrial (UT), laradiografía industrial (RT), y las emisiones acústicas(AET).

Figura 9. Ensayo no destructivo a partir de líquidospenetrantes en el que se muestra un defecto en unmaterial que a simple inspección no se determina.

SUPERFICIALES

Visual Líquidos penetrantes

Réplica

Partículas magnéticas

Corriente eléctrica

Absorción magnética

Ultrasonido

Emisión acústica

Termografía

Holografía óptica

Holografía acústica

Procesamiento digital de imagen

Microscopía acústica

INTERIORES

Partículas magnéticas

Campo magnético

Perturbación de corriente eléctrica

Absorción magnética

Corrientes de Eddy

Microondas

Ultrasonido

Emisión acústica

Radiografía

Rayos X

Tomografía computarizada

Radiografía por neutrones

Termografía

Holografía óptica

Holografía acústica

GLOBALES

Emisiones acústicas

Vibraciones

Detección de fugas

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Técnicas de integridad o globales. Se aplicanpara inspeccionar la condición de todo un sistemasin que necesariamente se evalúe de maneraindividual cada componente. La forma inicial paraestas técnicas fue con recipientes a presión ytuberías, mediante lo que se denominaba “detecciónde fugas” o de hermeticidad. Sin embargo, el

concepto se extendió o se utiliza con otro tipo desistemas, como puede ser una estructura, o unpuente carretero.

Las partes también pueden examinarse cuando estánen servicio, lo que permitirá su remoción previa a laocurrencia de una falla. Las pruebas no destructivasse utilizan para hacer productos más confiables,seguros y económicos.

2. CARACTERÍSTICA DE LOS SISTEMASDE ESTUDIO

Brevemente se muestran las características de lossistemas de estudio que recientemente se estántrabajando.

Uno de los sistemas de estudio son los nanotubosde carbono los cuales son una forma alotrópica delcarbono conformado por estructuras tubulares delongitud aproximada de 20.000Å y 80-50Å dediámetro, formados por capas concéntricas tipografito, como lo muestra la figura

Ellos poseen características que son útiles paraconfinar átomos y así aprovechar su capilaridad paraobservar las propiedades de catálisis que ellosexpongan en este nuevo arreglo, o para colocarsistemas orgánicos como lo es el ADN o proteínasbuscando con ellos desarrollar propiedades detransporte de carga o sensores biológicos.

Los nanotubos también están siendo estudiados paracambiar los canales litográficos de un transistor yasí desarrollar dispositivos electrónicos bajo otratécnica. El desarrollar propiedades, gracias alencapsulaje, de biomateriales es otra propiedad útil

Figura 10. Resultado computacional dela detección de fallas en un material aplicandocorrientes de Hedí. La intensidad y el cambio

de color indican la profundidad de la fallaen el sistema.

Figura 11. El esquema de una estructura diamante ygrafito son las formas más conocidas de cristalización

del carbono otras nuevas son los fullerenos y losnanotubos de carbono. Se presenta el C

60 y una

estructura de tubular en esta gráfica.

D i a m a n t eC60

“Buckminstesfullereno”

G r á f i t o Tubo (10,10)

DNA

Nanotubo

V

Figura 12. Esquema de un dispositivoelectrónico en el que se encapsula ADN

en un nanotubo.



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ya que con ellos se puede construir sensoresbiológicos para la detección de enfermedades, parael control y estudio de patologías humanas.

Los organismos poseen motores especializados paraprocesos particulares como división celular,movimiento celular, desplazamiento, etc. Debido a ladiversidad de funciones en las cuales se puedenencontrar los motores, hay evidencias que sugierenla presencia de proteínas para la realización demecanismos celulares que involucren un procesomecánico dentro del funcionamiento de ella. Por ende,se está trabajando en el diseño de aparatosmecánicos (motores, bombas…) más pequeños queuna célula viva que complementen en algunasocasiones las funciones de la célula o las reemplacen

en algunos casos. Una de esas aplicaciones consisteen que los nanomotores pueden accionar minúsculosmezcladores para activar medicamentos y bombearlos compuestos químicos necesarios directamentehacia los tejidos que los necesitan.

Otra dinámica en los estudios de nanomateriales sonlos desarrollos asociados a otras diferentes formasde cristalización del carbono denominada Fullereno.Los cuales son esferas constituidas por la asociaciónde carbonos que se unen en enlaces intermolecularesde modo que se pueden formar dímeros, redesbidimensionales, polímeros unidimensionales entre

Figura 13. Esquema de un motor molecular cuyaenergía es obtenida mediante el ATP. Der. Muestra enuna escala nanométrica como es el movimiento del

aspa del esquema de la izq.

Figura 14. Izq. Un ensamble rotacional de nanotubosde carbono el cual se puede mover sobre la superficiede un rotor molecular (simulación). Der. Esquema decómo se encapsula un átomo dentro de un Fullereno.

Tabla 1. Propiedades de los nanotubos de carbono.

Propiedad Nanotubos de pared sencilla Por comparación

Tamaño 0.6 a 1.8 nanometros de diametro La litografía de haz electrónico puede crear líneas de 50 nm de ancho

Densidad 1.33 a 1.40 g/cm3 El aluminio tiene una densidad de 207 g/cm3

Fuerza tensil 45 mil millones de pascales Las aleaciones de acero de alta resistencia se rompen a

alrededor de 2 millones de pascales

Resiliencia Pueden doblarse a grandes ángulos y Los metales y las fibras de carbón se fracturan ante similares

vuelven a su estado original sin daño esfuerzos

Capacidad Estimada en mil millones de amperes Los alambres de cobre se queman al conducir un millón de

conductora por centimetro cuadrado amperes por centimetro cuadrado

Emisión de Pueden activar fosforos con 1 a 3 Las puntas de molibdeno requieren campos de 50 a 100 voltios/m

campo voltios si los electrodos setán y tienen tiempos de vida muy limitados

espaciados una micra

Transmisión Se predice que es tan alta como El diamante casi puro transmite 3.320 w/mk

de Calor 6.000 vatios por metro por kelvin,

a temperatura ambiente

Estabilidad Estable aún a 2.800 grados Celsius Los alambres metálicos en microchips funden entre 600 y 1.000ºC

térmica en el vacio, y 7.500 ºC en el aire

(Tomada de Collins y Avouris, 2000)

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otras. El ejemplo mas reconocido es el agregado60

C ,que contiene 60 átomos de carbono dispuestos enuna serie de planos pentagonales (12) y hexagonales(20) que se ensamblan formando una esfera casiperfecta, denominada “buckybola” por laextraordinaria similitud de su estructura con un balónde fútbol.

La reacción entre con vapores de metales alcalinosse hace de tal forma que estos se introduzcanordenadamente dentro de las moléculas delfullereno, orientando aplicaciones hacia materialessuperconductores o su eventual utilización parabaterías recargables debido a las propiedadeseléctricas que se derivan de esta mezcla. En laactualidad se conoce una gran familia de fullerenoscerrados mayores y menores que él.

Logrando sintetizar capas concéntricas de fullerenosteniendo una estructura tipo cebolla que presentanpropiedades de resistencia y dureza alta que hacenpensar en aplicaciones de alto desgaste y presión.Otro tipo de estudios es el relacionado con elencapsulamiento de átomos dentro de losbuckyfullerenos reportados en la literatura comofullerenos endohedrales, en estos microagregados,de reciente sintetización, sus aplicaciones estánsiendo determinadas ya que sus propiedades indicanque podrían ser sistemas con los cuales se realizaríandispositivos electrónicos (transistores) o para realizartratamiento médico a una enfermedad determinada(encapsulando la célula y haciéndola reaccionar conel átomo que se encuentra dentro del fullereno).

El estudio de microagregados de carbono es uno delos más trabajados por la comunidad científica en elárea de nuevos materiales, orientados en diferentestipos de aplicaciones, que van desde el desarrollo denanopartículas que al mezclasen con un material envolumen cambian las propiedades, por ejemplo,haciendo que ellos se conviertan en mas resistentesa esfuerzos mecánicos, que sirvan como protectoressolares, como sistemas en los cuales se encapsulenalgunos elementos químicos o sistemas biológicos quesirvan como sensores de células con algún tipo depatología, que aumenten la velocidad de transportede carga, etc.

Otro de los sistemas de estudio en este proyecto depropiedades físicas y mecánicas de piezas útiles enel ensamble de un motor de un carro como es elcigüeñal y el árbol de levas. A ellas se les realizaranpruebas de tracción, de dureza para determinar lafatiga del material según sea el caso. En otras

ocasiones se realizaran ensayos no destructivos conlíquidos penetrantes, rayos X, estudios termográficoscorrientes parásitas, partículas magnéticas.

Métodos de ins. métodos de ins.

para defectos para defectos

volumétr icos p lanos

Visual Visual

Por réplica de superficies Microscopia por réplica

Líquidos penetrantes Partículas magnéticas

Partículas magnéticas Campo magnético

Campo magnético Corrientes de Eddy

Corrientes de Eddy Microondas

Microondas Perturbación de

corrienteeléctrica

Ultrasonido Ultrasonido

Radiografía Absorción magnética

Tomografía computarizada Ultrasonido

por rayos X

Radiografía por neutrones Emisión acústica

Termografía Termografía

Holografía óptica

Procesamiento digital

de imagen

Figura 15. Funcionamiento de una leva,mostrando que es una pieza sometida a procesos

de fricción constante. Sugiriendo estudiossuperficiales sobre la pieza.

Tabla 2.



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Existen muchas causas por las cuales se puedenproducir anomalías en un material estasirregularidades pueden presentarse por muchosfactores como los defectos preexistentes demanufactura es decir en el momento de la fabricacióndel material o bien por el daño inducido en el momentode prestar el servicio para el cual fue diseñado yconstruido, estas anomalías pueden presentarse porfallas en el momento de seleccionar los materiales,errores en el momento de diseñar la pieza, deconstruirla o bien en el control de calidad por otraparte estas fallas también pueden presentarse porun inadecuado uso de la pieza o por causas ycondiciones desconocidas siendo mas difícil deprevenir por presentarse en la parte estructural delmaterial, es aquí donde los ensayos no destructivosjuegan un papel determinante en una pieza o en unmaterial ya que estas anomalías pueden superarsesatisfactoriamente si son detectadas a tiempo.

La termografía es fundamental para este propósito yaque nos proporciona información clara y veraz delestado en el que se encuentra el material y nos permitedeterminar cual es la situación exacta de los defectos,su tamaño y la localización del mismo. Esta informaciónnos permite predecir cual será el comportamiento dela pieza y el tiempo de vida útil de la misma.

La termografía se fundamenta en convertir esaradiación térmica que emiten los materiales enimágenes térmicas, teniendo en cuenta que es unatécnica que no tiene contacto físico con los materialesde estudio. Se considera como un fenómeno

superficial ya que gran parte de la energía esabsorbida por el mismo material y solo es posibleanalizarla por la interacción de las moléculas que seencuentran cercanas a la superficie.

Lo que se busca con la inspección termográfica depiezas de automóviles es identificar previamente lasfallas que pueden ocurrir y puedan disminuirnotablemente por no decir totalmente su rendimiento

3. PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN

Basado en la dinámica de los estudios de nuevosmateriales presentados anteriormente se buscarealizar estudios de Propiedades Físicas y Mecánicasde Nuevos Materiales para diseñar y seleccionar elnuevo material a sintetizar. Se partirá del conocimientode estas propiedades a nivel atómico para orientar eltipo de aplicación mediante su ordenamiento,realizando estos estudios usando herramientas desimulación teórica. A escala de volumen realizarestudios de Propiedades Mecánicas y Físicas mediantetécnicas Experimentales (de ensayos destructivos yno destructivos) y complementando, en caso desistemas ordenados, con Modelación Teórica paramejorar la técnica experimental que decante e un nuevosistema o en conocimiento total de uno ya elaborado.La simulación teórica se hará mediante el uso eimplementación de Modelos Empíricos, ModelosSemiempíricos y Modelos de Primeros Principios. Parala parte experimental ella se realizará mediante estudiosde Difracción de Rayos X, estudios Termográficos y deMicroscopía Electrónica.

Figura 16. Muestra del cigüeñal de un motormediante termografía. La leva es la que adquiere

mayor temperatura puesto que ella es elobjeto de la prueba.

Figura 17. Perfil del piñón de un cigüeñalrealizado mediante termografía, mostrando la

incidencia de la temperatura del objeto enla toma de muestras.

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Para alcanzar esta motivación de estudios de nuevosmateriales se busca:

• Realizar estudios de propiedades Físicas yMecánicas de nuevos materiales mediantesimulación teórica para sistemas ordenados enlas dimensiones de sus constitutivos.

• Establecer el tipo de ordenamiento que tiene elmaterial mediante difracción de rayos X.

• Sintetizar nuevos materiales en volumen y realizarensayos de carácter destructivo y no destructivo.

• Estudiar propiedades Físicas y Mecánicas demateriales en volumen.

• En la realización de estos estudios se hacenecesario la construcción de centro de cálculocomputacional que permita hacer simulaciónteórica.

• Realizar medidas experimentales de ensayos nodestructivos y destructivos de materiales envolumen.

• Estudiar sistemas biológicos que sirvan para larealización de sensores, mediante simulaciónteórica computacional, buscando aplicacionesorientadas a la biología y química en el uso denuevos materiales para la Medicina, la industriaFarmacéutica o para ser utilizados en el medioambiente de un ecosistema.

Partiendo de las actividades investigativas propias,donde la identidad y pertenencia se plantea comoel punto focal y/o eje temático las accionespropositivas en las diferentes áreas de trabajo enNuevos Materiales y sustentados en los ejestransversales que orientan la propuestainvestigativa para la facultad se tiene los siguientesejes en el contexto de los materiales ordenados,no ordenados y los que se encuentran entre elorden y el desorden:

1. Estudio de propiedades Físicas y Mecánicas deMateriales Ordenados.

2. Estudio de propiedades Físicas y Mecánicas deMateriales Desordenados.

3. Estudio de propiedades Físicas y Mecánicas deMateriales entre el Orden y el Desorden.

Para comprender mejor la dinámica del proyecto sepresenta el siguiente diagrama de bloques:

En esta parte del trabajo se hacen estudios demodelación teórica que permitan establecer el tipo

de ordenamiento del sistema, a la par se realizaconsulta bibliográfica de los sistemas de estudiopara conocer todas las propiedades que se puedandecantar de los objetos de estudio. Inicialmente severificaran la reproducción de algunas de laspropiedades de los sistemas materiales para evaluarel modelo teórico que se implementa contrastandolos resultados de este con los hallados en laliteratura.

Teniendo un modelo teórico estable y fiableprocedemos a realizar estudios de propiedades queno han sido halladas o explicadas por otros gruposde trabajo y que no han salido publicadas.

Buscando estos resultados verificamos la forma derealizar estas medidas mediante mecanismosexperimentales, si no es posible hacer la medida orealizar la sinterización del material nos colocamosen contacto con grupos locales que posean lainfraestructura para la realización del material y delas pruebas orientadas a la verificación de lapredicción hecha por el modelo teórico. En los casosque no se pueda hacer este contacto publicamos los

Diagrama 1.

Diagrama 2.



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resultados y proponemos la realización de la medidaexperimental.

Para sistemas en volumen realizamos medidas dedifracción de rayos X para establecer el tipo deordenamiento del sistema. Si es ordenado se obtieneel grupo de simetría en el que cristaliza y a partir deeste, se realiza la modelación teórica usando métodosde primeros principios y obtener las propiedades delsistema de estudio y así guiar los experimentos harealizar.

Si el caso está en es sistema desordenado severificaran las propiedades mediante métodos deensayos destructivos y no destructivos y se tendrántodas las restricciones que el sistema debe cumplirorientados a una aplicación en particular.

En el caso intermedio se hará una mezcla entre losdos métodos anteriores pero en la simulación seaplicaran métodos empíricos y semiempíricos para lapredicción de las propiedades del sistema.

Línea Eje Temático Problema de Investigación

Materiales ordenados Propiedades Físicas Propiedades electrónicas de nanotubos de

y desordenados carbono.

Propiedades Mecánicas Estudios de fatiga y de fricción en estructuras

compuestas.

Modelación Teórica

Materiales entre Plásticos Estudio del mezclas de Polietilenos con

el orden y el desorden Polipropileno.

Modelación teórica

computacional

Ensayos destructivos Ensayos no destructivos Comparación de métodos no destructivos

y no destructivos de cuantitativos de estructuras compuestas de

materiales materiales útiles en Automóviles.

Pruebas de Tracción

Modelación teórica Implementación de diseños de materiales útiles

computacional en Automóviles mediante métodos ab-initio.

Biomateriales Motores Moleculares Diseño de un nanomotor usando como base

proteínas y nanotubos de carbono.

Modelación teórica Modelación ab-initio de nanotubos de carbono

computacional estudiando propiedades útiles para la obtención

de sensores.

Los ejes temáticos principales están basados en eltipo de ordenamiento del material a estudiar y de ellossurgen las diferentes líneas de trabajo Experimentalo Teórico. La orientación del trabajo esta dirigido aconocer las propiedades Físicas y Mecánicas de losmateriales para establecer el diseño y selección delos materiales.

Con estas propiedades se pueden hacer estudios,basados en pruebas de ensayos no destructivos demateriales, cambios de estados (de fase cristalina ode fase sólida, por ejemplo), de construcción uobtención de nuevos materiales.

Tabla 3.

Diagrama 3.

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http://web.info.com/infocom.us2/search/web/Non%20Destructive%20Testing?CMP=2773&itkw=Non%20Destructive%20Testing

NUEVOS MATERIALES - unilibre.edu.co · Sus aplicaciones decantan en la generación de materiales...

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