Líneas de Investigación

Conversión de energía

La captura eficiente de energía solar mediante la utilización de semiconductores para generar hidrógeno a partir de la división de la molécula de agua (fotoelectrólisis del agua), sigue siendo uno de los mayores desafíos en las ciencias de la energía. El hidrógeno producido de esta manera puede ser utilizado como combustible limpio, siendo una alternativa a las fuentes basadas en combustibles fósiles. Los fotocatalizadores actualmente disponibles para ser empleados en fotólisis tienen una baja eficiencia debido, principalmente, a que utilizan la porción ultravioleta de espectro solar, la que corresponde apenas al 4% de la energía solar total incidente en la superficie terrestre. La luz visible que es menos energética pero más abundante, constituye cerca del 43% de la energía solar total incidente.

Por lo anterior, cualquier tecnología futura que emplee la fotólisis del agua para la producción de hidrógeno en una manera viable, debería ser capaz de utilizar una fracción substancial del espectro solar visible. En esta línea, el CIEN-UC busca explorar los parámetros de fabricación de un fotocatalizador eficiente, basado en una nanoestructura híbrida formada por nanotubos de carbono decorados con hematita (?–?F2O3), dióxido de titanio (TiO2) u óxidos de cobre en su interior.

Control y descontaminación ambiental:

En todo el mundo, la contaminación del aire, suelos y aguas con sustancias tóxicas, orgánicas, pesticidas y metales pesados, es un problema complejo de resolver. Se requieren tecnologías que permitan tanto descontaminar como implementar enfoques preventivos. Los métodos basados en la aplicación de nanomateriales a sistemas de control ambiental han mostrado resultados sorprendentes, sin embargo, se requiere avanzar decididamente en enfoques y nuevo conocimiento que permita su aplicación.

Las partículas de nanomateriales poseen propiedades físico-químicas únicas debido a su alta relación superficie/volumen, con reactividades muchísimo mayores que el mismo material a mayor tamaño, así como una mayor capacidad de absorción. Debido a estas características, se han aplicado en remediación ambiental. Sin embargo, todavía subsisten problemas de implementación de procesos desde la escala de laboratorio (donde los incrementos en reactividad son enormes) a la aplicación a escala industrial.

Por otra parte, la nanoestructura que se le confiere al material sintetizado, puede permitir mejoras de rendimiento relevantes, lo que recalca la importancia de investigar en nanoestructuras más eficientes partiendo por su diseño conceptual, entendiendo su funcionalidad desde una perspectiva microscópica básica. Es aquí donde se torna relevante para el CIEN-UC impulsar la investigación interdisciplinaria donde trabajen en forma coordinada investigadores básicos y aplicados, conectando ciencias básicas con las aplicaciones que pueden estimular innovación y creación de conocimiento en esta área.

Bio-nanomateriales

Una creciente ola de excitación científica ha sido producida por la combinación de dispositivos de nanoescala con moléculas biológicas para promover aplicaciones en biotecnología, dando nacimiento al nuevo campo de la Bionanotecnologia.

Uno de nuestros objetivos como Centro de Investigación, es el estudio de las propiedades biofísicas que permiten el desarrollo de la estructura, crecimiento, transiciones de fase y la dinámica de películas orgánicas, así como desarrollar la base para diversos biosensores.

Otro foco de investigación es el estudio de los bionanomateriales en el medio ambiente como fuente de exposición humana y su relación. Se ha identificado que ambientes de partículas suspendidas al aire libre y bajo techo con tamaños aerodinámicos de 2.5 micrómetros (PM2.5) y más pequeños, muestran una asociación con efectos nocivos para la salud, estos van desde pequeños síntomas respiratorios, incidentes de asma hasta enfermedades crónicas pulmonares obstructivas e incluso aumentar la mortalidad prematura. En este sentido el CIEN-UC busca identificar los agentes biológicos responsables de tales efectos en la salud, como un paso clave hacia la propuesta de estrategias para reducir los riesgos ambientales.

Nanomateriales biocompatibles

La combinación de habilidades multidisciplinarias en el área de la nanotecnología ha entregado nueva información para la comprensión de nuestro mundo a escala nanométrica y con gran impacto en las ciencias biológicas y médicas.

La biotecnología se ha desarrollado rápidamente y el número de nanoestructuras contenidas en materiales biocompatibles y sensores biológicos ha crecido considerablemente. Esto ha permitido el surgimiento de nuevas técnicas en el diagnóstico molecular y tratamiento de enfermedades. A pesar de este gran avance, aún no hemos conseguido comprender cabalmente las interacciones entre materiales nanométricos y elementos biológicos. Obtener este conocimiento es fundamental para mejorar las técnicas actuales de medición y crear nuevas aplicaciones.

Con esto en mente, buscamos aplicar técnicas propias de las ciencias físicas como metrología basada en espectroscopias ópticas y el desarrollo de novedosos materiales mediante descargas de plasma, en problemas de interés biológico.

El CIEN-UC concentra sus esfuerzos en dos ramas de investigación: La primera busca utilizar nanocristales de diamante y membranas nanoporosas de alumina como base de detectores de biomoléculas y células; la segunda consiste en desarrollar nuevos materiales biocompatibles. Ambas ramas de investigación incluyen el estudio de la interacción de la superficie de nanoestructuras con biomoléculas y tejidos celulares considerando la funcionalización de superficies para mediciones selectivas de agentes biológicos.

El estudio de polímeros con propiedades ópticas y electrónicas ha sido un tema de gran interés en los últimos veinte años.

La fabricación de dispositivos de emisión luminosa (OLEDs), plásticos conductores, transistores y ventanas inteligentes, son algunas de las muchas aplicaciones de estos materiales.

En esta línea de investigación estamos interesados en la síntesis de polímeros con nuevas estructuras, los cuales son caracterizados estructural, mecánica, química, óptica y electrónicamente.

Las técnicas a base de plasma permiten nuevas reacciones químicas por parte de radicales altamente activos, además de interacciones partícula-superficie.

La mayor ventaja de la síntesis de nanoestructuras a base de plasma, por sobre otras técnicas de crecimiento, se encuentra en la condición de alta energía específica de los reactantes, lo que permite que ocurran reacciones químicas y procesos de nucleación no estándares.

Esta técnica ha resultado especialmente exitosa en la fabricación de películas delgadas bien adheridas, en la producción de nuevos materiales con propiedades superiores y posee un gran potencial para la producción de nanocompuestos encapsulados.

Esta línea de investigación implica:

• El estudio del crecimiento de películas delgadas y recubrimiento de superficies en distintos substratos.
• La síntesis y caracterización de materiales nanoestructurados.

1. Fabricación de materiales nanoestructurados

El objetivo de esta línea de investigación es fabricar nanoestructuras mediante la utilización de membranas porosas de óxido de aluminio anodizado, entre otras. Esta membrana es una película delgada compuesta de poros colineales altamente ordenados con diámetros en el rango de 20 a 200 nm. Dado que estás películas se pueden sintetizar en áreas macroscópicas (~cm2), es posible utilizarlas como máscaras para producir matrices ordenadas de nanoestructuras.

2. Almacenamiento de hidrógeno en películas de nanoclusters metálicos

En está línea de investigación se pretende estudiar la absorción de hidrógeno en películas hechas de nanoclusters metálicos. Estos sistemas poseen dos propiedades específicas que los convierten en potenciales candidatos para ser utilizados en los procesos de almacenamiento de hidrógeno: (i) un aumento en la superficie interna y (ii) la posibilidad de que el cluster metálico absorba hidrógeno aún cuando, como material de volumen, no lo haga.

En el Laboratorio de Ciencia de Materiales de la Facultad de Física se han desarrollo métodos para detectar la absorción de hidrógeno por cambios en la transmisión de luz visible y resistencia de las películas.

3. Heteroestructuras multiferroicas

Los materiales multiferroicos tienen una unión de al menos dos de las llamadas “propiedades ferroicas”: ferroelasticidad, ferroelectricidad y ferromagnetismo. Las potenciales aplicaciones en dispositivos multifuncionales son: sensores de campo magnético, sondas de medición de corriente, transductores, filtros, osciladores entre otros.

En estos sistemas, la magnetización ferromagnética y la polarización ferroeléctrica son conmutables. Esto ha suscitado gran interés por parte de la industria de grabación ya que es posible codificar información de manera independiente.

Nuestro interés se centrará en el control del proceso de fabricación de nanoestructuras magnéticas sobre sustratos ferroeléctricos, con la finalidad de manipular los parámetros multiferroicos y la discrepancia estructural con los sustratos.

4. Modelación y caracterización de nanoestructuras magnéticas

Las nanoestructuras ferromagnéticas son actualmente uno de los sistemas más estudiados en el área del magnetismo, motivado principalmente por sus aplicaciones en sensores y dispositivos de almacenamiento y lectura de información (i.e. válvulas de espín y memorias de acceso aleatorio). El avance en este amplio campo de investigación ha traído como consecuencia el surgimiento de un nuevo tipo de electrónica basada en la manipulación del espín de los electrones conocida como Espintrónica.

Las actividades de esta línea de investigación estarán centradas en la investigación teórica y experimental de las propiedades de capas, en las multicapas magnéticas y en la modelación de nuevas estructuras.

La reciente combinación de desarrollos a nanoescala con moléculas biológicas para las aplicaciones biotecnológicas ha llevado al surgimiento del campo de la Bionanotecnología.

Algunas aplicaciones en este campo incluyen la creación de sistemas altamente funcionales como biosensores, circuitos electrónicos y moleculares.

Esta línea de investigación se centra en:

• Caracterización estructural y topográfica de superficies sólidas a nivel atómico.
• Estudio de procesos elementales de adsorción, crecimiento de películas y estabilidad a largo plazo de películas orgánicas en superficies sólidas.
• Incorporación de bicapas lipídicas y proteínas en superficies sólidas.
• Modelación semiempírica de propiedades de polímeros para uso medicinal.
• Modelación de dinámica molecular de polímeros para uso medicinal.
• Desarrollo de elastómeros con rigidez variable inducida por magnetoresistencia.
• Aplicaciones de polímeros en películas comestibles para mejorar la vida útil de alimentos.
• Caracterización y modelamiento de biomateriales.

Corrosión

El rápido progreso de la ciencia de materiales y de las tecnologías asociadas ha tenido como resultado una gran cantidad de nuevos materiales que ofrecen la posibilidad de mejorar el rendimiento y/o agregar funcionalidades. Sin embargo, para que los desarrollos puedan ser aplicados en dispositivos reales, falta demostrar aplicabilidad específica a través de caracterización de parámetros tecnológicos orientados hacia la manufactura con uso de estos nuevos materiales.

Las actividades de esta línea de investigación se centran en el diseño, producción y caracterización de materiales investigados, actualmente, por varios de los Investigadores del CIEN-UC con el propósito de integrar el conocimiento y las habilidades adquiridas para dar curso a la innovación interdisciplinaria en los siguientes tópicos:

• Caracterización y modelamiento del proceso de corrosión de materiales metálicos.
• Estudio de efectos microestructurales en propiedades tecnológicas de aleaciones con memoria de forma.
• Diseño y producción de sensores ferroeléctricos para la caracterización de propiedades de células madres usadas en regeneración ósea.

Funcionalización de materiales

Para cumplir con una función específica no siempre es necesario reemplazar toda la pieza de un dispositivo porque en la mayoría de las aplicaciones, los procesos que definen la funcionalidad ocurren en la superficie. De hecho, muchos de los actuales materiales multifuncionales requieren de la modificación de sus superficies con el fin de optimizar propiedades tales como la fricción, resistencia a la corrosión y al desgaste, mojabilidad, entre otras.

La funcionalización específica de diversos materiales se puede realizar hoy a través de la modificación de las propiedades de su superficie utilizando la infraestructura y conocimiento adquirido por los investigadores del CIEN-UC. En particular, se investigaran lo siguientes casos particulares:

• Modificación y funcionalización de superficies metálicas mediante tecnología láser.
• Funcionalización de superficies a través de recubrimientos anticorrosivos y antidesgaste sobre metales.

Durante la última década, el rápido progreso de la ciencia de materiales y de las tecnologías asociadas ha tenido como resultado una gran cantidad de nuevos materiales que ofrecen la posibilidad de mejorar el rendimiento y/o agregar funcionalidades.

Las actividades de esta línea investigativa se centran en la caracterización tecnológica de los materiales desarrollados por otros investigadores del CIEN-UC, específicamente, esta línea de investigación está dedicada a:

• Caracterización y modelamiento de la corrosión.
• Estudio de difusión en materiales macro, meso y microporosos.
• Desarrollo y caracterización de recubrimientos láser.
• Desarrollo y caracterización de aleaciones con memoria de forma.
• Desarrollo de materiales cerámicos biocompatible para albergar células madre adultas.
• Caracterización y modelamiento de microestructura y textura en aleaciones.
• Modelación multiescala de materiales.
• Plasticidad mono-cristalina y poli-cristalina