Los siguientes proyectos están en desarrollo, por lo que están abiertos a la participación de nuevos alumnos en los diferentes grados: licenciatura, maestría y doctorado.
The following projects are under development, we are looking for new students to work on them.
ELECTRODOS BASADOS EN COMPUESTOS NOVEDOSOS DE BISMUTO PARA SU USO EN
ELECTROQUÍMICA Y FOTOELECTROQUÍMICA.
El Objetivo de este proyecto es crear un nuevo grupo de trabajo con la visión de desarrollar trabajo científico interdisciplinario y material de enseñanza, investigando la preparación de electrodos basados en derivados de bismuto con morfología porosa controlada, con aplicaciones en reacciones de reducción catódica tanto analíticas como electrosintéticas, así como en fotocatálisis y fotoelectroquímica, todas ellas con alto impacto a nivel científico e industrial.
Es un proyecto de grupo donde colaboramos tres entidades universitarias: Instituto de Química (Dr. Bernardo Frontana del Centro Conjunto de Investigación de Química Sustentable UAEMéx-UNAM), Facultad de Química (Dr. Víctor Ugalde) y el Instituto de Investigaciones en Materiales ( Dra. Sandra E. Rodil)
Queremos hacer muchas cosas, entre ellas:
Electrodos novedosos basados en bismuto y que contengan estaño e/o indio (Bi-Sn, Bi-In, Bi-In-Sn) con porosidad y microestructura controlada, tendrán una cinética lenta de reducción de agua y protón, por lo que podrán ser usados como una alternativa accesible y sustentable para sustituir los electrodos de mercurio y plomo empleados en reacciones electrosintéticas catódicas de potencial negativo alto (compuestos halogenados alifáticos, nitrilos orgánicos y anillos aromáticos) y aplicaciones en baterías de flujo.
Películas de óxidos binarios (Bi2O3) y ternarios de bismuto (BiVO4, Cu2BiO4, Bi2CrO6) mesoporosos para aumentar considerablemente el área útil de estos catalizadores heterogéneos permitiendo mejorar la eficiencia de los procesos fotocatalíticos y fotoelectroquímicos fundamentales empleando luz visible.
Los Electrodos basados en películas de óxidos binarios (Bi2O3) y ternarios de bismuto (BiVO4, Cu2BiO4,
Bi2CrO6) con microestructura y porosidad tridimensional controlada serán útiles y eficientes para desarrollar aplicaciones aplicaciones fotocatalíticas como degradación de moléculas orgánicas contaminantes (índigo carmín, nonilfenoletoxilado, glifosfato) y fotoelectroquímicas con luz visible como “water spliting”, reducción de CO2.
Si te interesa el tema, acercate a nosotros:
bafrontu@unam.mx, vmus@unam.mx, srodil@unam.mx
Diseño y desarrollo de materiales filtrantes de alta eficiencia para la creación de mascarillas y otros equipos de protección con capacidad de inactivar virus y bacterias
A. Sánchez Solis, S. E. Rodil
Desarrollar un material con 95% de filtrado para partículas desde 0.3 µm el cual pueda ser utilizado como un filtro o capa en la fabricación de cubrebocas, mascarillas quirúrgicas o respiradores tipo N95, basado en espuma de poliuretano modificada con agentes biocidas y con la superficie externa cubierta con nanocapas de Ag-Cu, cuyo conjunto presente actividad antiviral y antibacteriana.
Ante la emergencia presentada por el nuevo coronavirus SARS-CoV-2 (COVID-19) ha sido evidente la necesidad del uso de equipos de protección personalizados (EPP) como el mejor método de prevención para aquellos quienes no pueden mantenerse bajo aislamiento total, así como un método para permitir el retorno a las actividades de forma progresiva, pero tomando precauciones de protección.
El uso de cubrebocas para la población en general, así como los sistemas más avanzados de protección (mascarillas o respiradores) para el personal de salud, será una necesidad a lo largo de los siguientes años, hasta que se encuentre una vacuna o un tratamiento efectivo de uso general en la población mundial [1]. Sin embargo, en estos pocos meses de la pandemia ha resultado evidente que la producción es insuficiente y sobre todo las capacidades locales de distribución son altamente limitadas.
En el programa estratégico hacia la nueva normalidad de la ciudad de México, se establece claramente la necesidad de continuar utilizando cubrebocas/mascarillas en el transporte público, lugares aglomerados, así como en lugares de trabajo dependiendo del distanciamiento social que pueda mantenerse (covi19.cdmx.gob.mx/nuevanormalidad). Considerando que la Ciudad de México tiene la tasa más alta de incidencia de casos (176/100 mil habitantes) en comparación con el promedio nacional (40.46/100 mil habitantes), así como debido a la alta densidad de población de la Ciudad de México (5,900 hab/km2 comparado con 1,170 hab/km2 de Monterrey) el distanciamiento social no es suficiente para disminuir la propagación del virus. Por lo que el uso de cubrebocas o mascarillas y sanitización continua son medidas que se mantendrán activas por tiempos más prolongados que en otras zonas del país.
De manera que hay un problema de disponibilidad de EPP de alta eficiencia y en caso de sólo orientarse a solucionar la demanda para toda la población, habría un exceso de desechos potencialmente infecciosos/contaminados que requerirán incinerarse, ya que de otra forma son una fuente de propagación viral.
Una alternativa, que es la clave del presente proyecto, es el desarrollo de materiales funcionales, que no solo trabajen como filtros físicos, sino que provean propiedades antimicrobianas, es decir, con la capacidad de inactivar virus e inhibir el crecimiento de bacterias y hongos.
Desarrollo de materiales sintéticos filtrantes con capacidad de inactivar virus y bacterias utilizando materia prima de fácil acceso en México. El objetivo es producir un material-filtro antimicrobiano combinando dos mecanismos de acción; una espuma de poliuretano adicionada con agentes biocidas y una capa nanométrica depositada en la superficie con propiedades antivirales y antimicrobianas.
El material filtrante antimicrobiano propuesto podrá ser utilizado como una de las capas que conforman mascarillas quirúrgicas o respiradores, pero también como un filtro desechable que complemente las funciones del filtrado e inactivación de microorganismos en cubrebocas simples e incluso de confección casera para el uso del público en general. Esto permitiría reservar los equipos de mayor nivel de protección para el personal médico, pero proveer a la población de una estrategia de protección más efectiva.
SECTEI 096/2020
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Reducción del Consumo Energético en los Procesos de Manufactura
ReCoE
S.E. Rodil – T. Polcar
Las principales empresas exportadoras de México trabajan en la manufactura de diferentes componentes, siendo las principales, la automotriz, aeroespacial, dispositivos médicos y la industria alimentaria. Gran parte del proceso de manufactura está relacionado con el corte, doblez, laminación y mecanizado de partes metálicas durante el cual hay un gasto energético importante y se ha estimado que durante el mecanizado (conjunto de operaciones de conformación de piezas mediante eliminación de materia, ya sea por arranque de viruta o abrasión) de piezas se desperdicia alrededor de un 25-30% de dicho gasto en vencer la fricción, aun utilizando lubricantes de última generación. Por otro lado, la fricción genera aumentos en la temperatura del proceso, lo que eventualmente requiere de un proceso alterno de enfriamiento, con un mayor consumo de energía o del uso de líquidos refrigerantes. Para la ciudad de México, no se cuenta con una estimación del impacto de la fricción y el desgaste en el consumo energético y en consecuencia de las emisiones de CO2. Sin embargo, a nivel global, existen estudios para evaluar la influencia de la tribología en el consumo energético, el costo y las emisiones de CO2. En dichos estudios, se han incluido diferentes procesos industriales, desde la minería (que también es un proceso relevante en México), transporte (crítico en la CDMX) e industrias de manufactura, concluyendo en 2017 que [1]:
-Alrededor de un 23% (119 EJ) del consumo total de energía del mundo proviene de contactos tribológicos, es decir es energía “desperdiciada”. De eso el 20% (103 EJ) se usa para superar la fricción y el 3% (16 EJ) se usa para la re-manufactura de piezas desgastadas y equipos de repuesto debido al desgaste y fallas relacionadas con el desgaste. Este consumo energético equivale a 8120 millones de toneladas de CO2 emitidas a la atmósfera (22.5% de las emisiones totales globales).
– Aprovechando las nuevas tecnologías de ingeniería de superficie, materiales y lubricación para reducir la fricción y protección contra el desgaste en vehículos, maquinaria y otros equipos en todo el mundo, las pérdidas de energía debido a la fricción y el desgaste podrían reducirse en un 40% a largo plazo (15 años) y en un 18% a corto plazo (8 años). Globalmente, estos ahorros equivaldrían al 1,4% del PIB anual y al 8,7% del consumo total de energía a largo plazo.
Esta propuesta de soluciones está basada en los avances en la investigación científica que han permitido demostrar que a través de recubrimientos avanzados-diseñados específicamente para cada proceso podría reducirse el consumo energético, a la vez que se reduce el calentamiento de las partes. Una reducción en el consumo de combustible, además del beneficio económico, significa a su vez una reducción en la emisión de gases contaminantes con un impacto ecológico de gran necesidad en la ciudad de México. Sin embargo, para que este proceso sea atractivo a la diversa industria manufacturera mexicana se requiere el desarrollo de talleres de maquinado competitivos a nivel internacional, lo cual puede reforzarse con el uso de recubrimientos en las herramientas de corte y conformado diseñados especialmente para cubrir sus necesidades.
Los datos anteriores demuestran la importancia y el impacto de la tribología para el desarrollo de un país, tema que en los últimos años hemos estado promoviendo conformando un grupo a nivel nacional reconocido como la Red CONACYT de Tribología y Superficies (REDISYT, http://redisyt.org/portal/index.php).
En este proyecto proponemos aplicar estos conocimientos al área de manufactura y maquinado. La lubricación efectiva y la protección contra el desgaste a altas temperaturas y en entornos cíclicos son desafíos continuos que son cruciales para la eficiencia energética en turbo-máquinas, herramientas de mecanizado y aplicaciones aeroespaciales. La demanda de velocidades de corte más altas y una vida útil más larga condujo al desarrollo y la aplicación de recubrimientos protectores duros a las herramientas de corte. Los recubrimientos ternarios, como Ti-Al-N y Cr-Al-N, ahora se usan ampliamente en aplicaciones comerciales. Estudios de los colegas de Gran Bretaña demostraron un aumento adicional en la resistencia a la oxidación mediante la adición de Si [2] o la combinación de nitruros de Ti, Al y Cr en compuestos cuaternarios [3]. La estructura multicapa puede mejorar aún más las propiedades de corte [4] al aumentar la tenacidad y la resistencia a la oxidación. Las películas de nanocapas con capas de espesor de 10 nm o menos pueden mejorar significativamente la tenacidad mediante la deflexión de grietas [5]. Desafortunadamente, todos estos conceptos comparten una característica perjudicial: alto coeficiente de fricción.
El presente proyecto aborda una posible solución al problema del alto coeficiente de fricción, el cual impacta toda la maquinaria; desde el uso diario del automóvil hasta una industria de corte especializado aeroespacial. De modo que los resultados del proyecto aunque demostrados para un nicho especial, podrían tener un impacto a mayor escala, sobre todo con el apoyo de la Secretría de Ciencia Tecnología e Innovación para promover el uso de recubrimientos para reducir fricción y en consecuencia reducir el consumo energético y la huella de carbono.
- Kolmberg, A. Erdemir, Friction 5(3), (2017) 263–284
- Polcar, A. Cavaleiro, Mat. Chem. Phys. 129 (2011) 195-201
- S. Fox-Rabinovich, et al, Surf. Coat. Technol. 200 (2005) 1804
- S. Fox-Rabinovich et al, Surf. Coat. Technol. 204 (2010) 3698
- Polcar, A. Cavaleiro, Surf. Coat. Technol. 257 (2014) 70–77
SECTEI 201/2019
MAGNESIO BIOFUNCIONALIZADO PARA IMPLANTES METÁLICOS DEGRADABLES.
Dra. Sandra E. Rodil, Dra. Phaedra Silva
Hay una necesidad muy específica de lograr piezas metálicas para reparación ósea que puedan degradarse lo suficientemente lento para que el hueso se repare en su totalidad sin necesidad de retirarlas posteriormente. Las piezas de reparación se dejan en los pacientes adultos para no someterlos a una segunda operación. Sin embargo, esto no es una solución en menores de edad, ya que al estar aún en crecimiento, el mantener la placa metálica de fijación o tornillos puede crear deformación de los huesos. Sin embargo hasta el momento no se cuenta con una solución ideal. Las aleaciones de magnesio son la mejor opción, pero a pesar de muchos esfuerzos aún no se ha logrado controlar su velocidad de corrosión para acoplarla con la reparación ósea y reducir la formación de burbujas de hidrógeno e iones OH-. El presente proyecto engloba dos ideas; el uso de magnesio de ultra-alta pureza con microestructuras y composición bien controladas por parte del grupo de Alemania (Hemholtz center) y recubrimientos de óxido de titanio amorfo. Consideramos que el efecto de los recubrimientos sobre las aleaciones adecuadas nos permitiría acoplar los tiempos de degradación con el tiempo de regeneración ósea, ya que el aTiO2 funciona como recubrimiento que promueve la diferenciación de células mesénquimales hacia el fenotipo de osteoblastos. Finalmente, el método de depósito propuesto (magnetron sputtering) no es afectado por las propiedades mismas del Mg, es decir, su alta reactividad química y bajo punto de fusión. Para los recubrimientos poliméricos, el inconveniente es el uso de solventes con los cuales el Mg reacciona y para los fosfatos de calcio, la limitante es que sintetizar un buen recubrimiento cerámico requiere de altas temperaturas. Dada la experiencia del grupo de trabajo, tenemos identificadas las pruebas de corrosión e in-vitro que debemos realizar para asegurarnos de lograr los objetivos; controlar la velocidad de degradación utilizando un recubrimiento que promueve la osteogénesis (síntesis de matriz ósea), osteoconducción (migración de los osteoblastos en el material) y la osteoinducción (diferenciación hacia el fenotipo osteoblástico).
CONACYT FRONTERAS DE LA CIENCIA 1740
“Propiedades tribo-mecánicas de recubrimientos nanocompuestos basados en oxidos”
“Tribomechanical Properties of Nanocomposite Oxide Coatings”
S.E. Rodil – T. Polcar
(Collaboration project between IIM-UNAM and the University of Southampton, UK.)
The deposition of nanocomposite coatings, such as metal nitride nanocrystals immersed in an amorphous silicon nitride layer, is an appropriate method to improve the hardness of coatings above 40-50 GPa; meaning 10 times harder than steels and only half the hardness of diamond. Nevertheless, for many applications, it is not only the
hardness that is the most relevant factor to improve the life time of machinery and tools. Other properties such as wear resistance, lubricity and oxidation resistance are also required. The objective of the present work is to evaluate the effect of the addition of Si (or boron) to metal oxide coatings (V2O5, Nb2O5, CuOx, MoO3, Bi2O3) with the aim of producing hard oxide coatings with low coefficients of friction at medium-high temperatures. The coatings will be produced by confocal dual magnetron sputtering; one target contains the metal and the other the Si [or B].
The coatings will be produced in an Ar+O2 atmosphere, varying the power applied to the secondary phase (Si or B). Meanwhile the power applied to the metallic target, the Ar/O2 flow ratio, the pressure and the substrate temperature are fixed to the conditions where stoichiometric crystalline metal oxide coatings can be produced. The structure of the coatings deposited on mirror polished M2 steel will be evaluated by X-ray and electron microscopies, the composition by energy dispersive spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy, the morphology by scanning electron microscopy and the roughness and thickness by profilometry. The hardness of the coatings will be measured by nanoindentation as a function of the Si content, while the sliding/wear behavior of the coatings will be evaluated using the tribometers available at the National Centre for Advanced Tribology at Southampton.
“Óxidos ternarios de bismuto para aplicaciones en fotocatalisis, foto-disociación de agua, conductores iónicos y sensores de oxígeno”
“Ternary Bismuth Oxide coatings for applications in photocatalysis, water splitting, ionic conductors and oxygen sensors”
S.E. Rodil, Agileo Hernández
Este proyecto es una extensión de los proyectos anteriores BisNano y Phocscleen, donde buscamos aplicaciones avanzadas de materiales basados en bismuto.
This is our extension of the BisNano and Phocscleen projects looking for advanced application for bismuth-based materials.
“Aleaciones biodegradables de magnesio”
“Functional Biodegradable Magnesium Alloys”
S.E. Rodil P. Silva-Bermudez A. Almaguer
This is a project done in multidisciplinary collaboration with Instituto nacional de Rehabilitación, Facultad de odontología-UNAM and the Helmholtz center in Germany. They provide us with magnesium alloys and we are looking for methods to improve their corrosion resistance and enhanced the osteogenic properties.
“Recubrimientos metálicos duros y tenaces resistentes a la corrosión”
“Hard-Tough and Corrosion Resistance Metallic Coatings”
S.E. Rodil
Metals are ductile and therefore they are not hard as the ceramics, this explains why in the industry of coatings, hard coatings are based on ceramics. Hard coatings have been developed as a mean to modify the surface of tools and industrial components aiming to enhance their life span. This is achieved
since the hardness is about 5-6 times larger than the metallic substrates and so the wear rate is lower. By using advanced architectures of these ceramic coatings such as multilayers or 3D nanostructures, it has been possible to obtain hard coatings 10 times larger than the metallic substrates. However, being ceramics, these hard coatings are brittle and cannot sustain sudden impact, and sometimes the specific nano-architecture is loss at high temperatures, and so their enhanced properties.
Industry is not using these ceramics coatings since the corrosion resistance need further improvement and so they continue working with metallic coatings. However, new environmental regulations might limit in a near future the use of the current technologies to produce those metallic coatings. The aim of the present project is to find mechanisms to improve the properties of PVD metallic coatings to make them comparable or better to those conventional ones.
The Plasmas and Nanomaterials Group, PLASNAMAT 