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MEMORIA 2010

Física Nuclear y Aplicaciones

Se realiza investigación básica en las áreas de reacciones nucleares (utilizando el acelerador TANDAR) y de estructura nuclear (en colaboración con el Instituto de Física Nuclear de Orsay, Francia y el Laboratorio Nacional de Legnaro, Italia). Asimismo se utiliza equipamientos y metodologías comunes a estas áreas para aplicaciones de utilidad a la industria química y para la implementación de la técnica de Espectrometría de Masas con Aceleradores (AMS). La extrema sensibilidad de la técnica AMS, capaz de detectar radioisótopos de larga vida media en concentraciones tan bajas como 10-15 respecto de su isótopo estable, permite abordar problemas de índole ambiental, geológico o astrofísico. Entre los mecanismos de reacción nuclear investigados se incluyen procesos de fusión completa e incompleta, dispersión elástica e inelástica y quiebre ("breakup"). En el área de estructura nuclear se investiga estados de altos y bajos momentos angulares a través de reacciones de fusión-evaporación y fotofisión del uranio. En el área de aplicaciones de técnicas nucleares se realizan estudios de biorremediación de aguas. También se aplican técnicas nucleares para determinar fallas de diseño y funcionamiento de reactores químicos multifásicos y desarrollar métodos de determinación instantánea de la evolución de procesos industriales.

Específicamente, los temas de investigación en desarrollo son los siguientes:
Mecanismos de reacción con iones pesados
  • Mediciones de secciones eficaces de quiebre de los proyectiles 6Li y 7Li en blancos de 144Sm mediante la detección en coincidencia temporal de las partículas livianas emitidas en la reacción.
  • Mediciones de secciones eficaces de dispersión elástica y cuasielástica de 6Li, 7Li y 9Be en blancos de 80Se, 120Sn y 144Sm para obtener información sobre el rol del canal de quiebre del proyectil y su efecto en las denominadas anomalía umbral y distribución de barreras.
  • Estudio de la reacción 30P + αp + 33S mediante la medición de la reacción inversa p + 33S30P + α en un espectrómetro magnético (colaboración con el Laboratorio Nacional de Argonne, Estados Unidos). La reacción con el radioisótopo 30P tiene interés en astrofísica en relación con las explosiones estelares de rayos X.
Estudio de estructura nuclear
  • Estudio de los núcleos 187Pt y 168Tm para investigar la coexistencia de formas nucleares y la evolución de la deformación, excitaciones cuadrupolares y octupolares, y propiedades electromagnéticas de estados fundamentales.
  • Estudio del núcleo 49V para investigar la correlación entre grados de libertad colectivos y de partícula independiente.
  • Medición de vidas medias de estados nucleares excitados de los núcleos 137Cs y 139Cs poblados por decaimiento radiactivo a partir de la fotofisión del uranio, utilizando centelladores de última generación de bromuro de lantano.
Espectrometría de Masas con Aceleradores
  • Detección del radioisótopo antropogéneo 129I tendiente a evaluar los efectos ambientales a largo plazo de la producción de energía nuclear y el desecho de los residuos radiactivos. Se analizaron muestras de agua y de tiroides vacunas de diversas regiones del territorio argentino, mostrando contenidos de 129I mucho menores que en muestras del Hemisferio Norte.
Aplicación de Técnicas Nucleares a la Industria
  • Determinación de porcentajes de mezcla de hidrocarburos y agua para pozos de explotación petrolera.
  • Determinación de cambio de fase homogéneo-heterogéneo en reactores químicos para detección de fallas de operación.

En estas áreas se publicaron en 2010 ocho trabajos en revistas internacionales con referato, se realizaron cinco presentaciones en congresos y ocho contribuciones a actas de conferencias. Se realizaron servicios técnicos a la empresa THASA y se inauguraron las nuevas instalaciones del LaDiR (Laboratorio de Diagnósticos por Radiaciones) que cuenta con nuevos equipamientos de detección de radiación gamma para la aplicación de técnicas nucleares a la industria química.

Física de la materia condensada

Se realiza investigación básica y aplicada en distintas áreas de la física del estado sólido y líquido. Es un departamento con una fuerte integración, formado en su mayoría por físicos y químicos con orientaciones tanto experimental como teórica. Esto permite dar un enfoque global que va desde la síntesis de los materiales, la caracterización de sus propiedades físico-químicas y estructurales, el modelado de las mismas, su simulación computacional y el desarrollo de modelos teóricos independientes.

Los temas de investigación, desarrollos y servicios realizados durante 2010 son los siguientes:
  • Propiedades termodinámicas en sistemas magnéticos con coexistencia de fase. Efecto magneto-calórico.
  • Física estadística: transiciones de fase en sistemas de espines con campos magnéticos locales aleatorios.
  • Redes complejas de utilidad en física, biología, economía, redes informáticas, etc. Modelado de ecologías locales reales (sistemas mutualistas).
  • Desarrollo de un laboratorio virtual para el estudio de propiedades físico químicas de materiales de interés nuclear. Simulación y modelado de propiedades térmicas y estructurales
  • Magnetismo de baja dimensionalidad y magnetismo no colineal.
  • Teoría de las relaciones entre propiedades magnéticas, electrónicas y de transporte en sistemas nanoscópicos y nanoestructurados. Estudio particular de junturas y superficies.
  • Experimentos de simulación computacional para la descripción microscópica de aspectos estructurales y dinámicos de interfaces y medios confinados de dimensión nanoscópica.
  • Anisotropía en "films", crecimiento, litografía, estudio de propiedades de multicapas.
  • Sistemas con propiedades magnéticas. Relación entre magnetismo, superconductividad y magnetismo no colineal.
  • Diseño y montaje de experiencias de magnetoóptica.
  • Estudio de efectos de memoria inducida por campo eléctrico en interfaces metal-óxido.
  • Desarrollo de "física de dispositivos", nuevas interfases, dispositivos a base de multicapas y alambres nanoestructurados.
  • Prototipos de celdas de memoria basadas en interfases metal-óxido. Sensores de campo magnético.
  • Propiedades termodinámicas para sistemas de pocas partículas confinadas y cálculo de propiedades de adsorción de líquidos sobre sustratos varios.
  • Síntesis, caracterización y estabilidad de compuestos inorgánicos y nuevos complejos de coordinación de metales de transición.
  • Síntesis de materiales nanoscópicos y nanoestructurados de óxidos simples o mixtos de metales de transición con aplicaciones tecnológicas (sensores, celdas de combustible).
  • Desarrollo de materiales micro y nanoestructurados para membranas de intercambio de protones alimentados con metanol o hidrógeno. Desarrollo de prototipos de celdas de combustible.
  • Propiedades estructurales de compuestos de hierro.
  • Aplicación de espectroscopía Mössbauer al estudio de nanomagnetismo, suelos, óxidos y problemas de corrosión.
  • Caracterización de fases intermetálicas de alta temperatura.
  • Cálculo de primeros principios para el estudio de las características estructurales, cohesivas y de transporte de diferentes elementos y la de sus aleaciones. Propiedades estructurales de aleaciones superficiales y de superficies de aleaciones multicomponentes.
  • Estudio de polimorfismo y estabilidad en compuestos farmacéuticos y polímeros.
  • Estructuras de moléculas de interés biológico.
  • Fisicoquímica de sistemas acuosos sobreenfriados y vitrificados: Se estudia la dinámica del agua y del agente vitrificante (polioles) mediante técnicas de relajación dieléctrica y la movilidad de sondas (solutos) en estos medios sobreenfriados cerca de la transición vítrea utilizando técnicas ópticas de fluorescencia y electroquímica.
  • Búsqueda de nuevos materiales con aplicaciones a problemas de ambientales. Síntesis de materiales funcionalizados y recubrimientos para aplicaciones médicas, para retención de especies tóxicas en aguas y detección de bajas concentraciones de metales tóxicos en matrices ambientales.
  • Simulaciones numéricas y mecánica estadística de moléculas flexibles y líquidos confinados. Simulación de bicapas moleculares, difusión de moléculas de interés biológico y ambiental.
  • Simulaciones de materia condensada blanda, interfases y substratos poliméricos fuera del equilibrio. Simulaciones en nano y microfluídica. Fuerzas inducidas por fluctuaciones en polímeros y membranas

Adicionalmente, existe una gran interacción con la industria local, en ese aspecto se destaca la interacción con la Industria Farmacéutica a la cual se le prestan servicios y asistencia tecnológica en el área de polimorfismo. Los servicios brindados se basan en los estudios y en la caracterización del estado sólido tanto en Principios Activos Farmacéuticos como en los productos terminados. Por otra parte, se brindan servicios para la conservación del patrimonio cultural, mediante el análisis de pigmentos, ligantes y pinturas por Espectroscopía Raman. Mediante la caracterización físico química de obras de arte y muestras arqueológicas y las técnicas utilizadas en su manufactura, se obtienen datos de vital importancia para conservadores y restauradores. Este proyecto se realiza en colaboración con el Centro de Producción e Investigación en Restauración y Conservación Artística y Bibliográfica de la Universidad Nacional de San Martín. Todos estos aspectos han convertido a la CNEA en uno de los mayores referentes en el estudio del estado sólido o fases condensadas de la materia, estando en condiciones de dar respuesta a una amplia gama de problemáticas.

Se cuenta con importantes recursos computacionales propios además de ser un usuario intensivo del cluster ISAAC que, con sus 700 nodos, constituye el mayor recurso computacional de su tipo en la Argentina.

En el año 2010 se organizaron la "IV Reunión Anual de la Asociación Argentina de Cristalografía" (entre el 13 y el 15 de octubre) y el congreso internacional "At the frontiers of condensed matter V" (entre el 6 y el 10 de diciembre).

Materiales duros a base de carbono
Los temas de investigación son los siguientes:
  • Producción y estudio de las propiedades de materiales carbonáceos, realizándose principalmente películas de carbono amorfo duro y de diamante policristalino.
  • Análisis de la dureza y la estructura microscópica del material resultante.
  • Estudios de adherencia sobre diferentes sustratos.

Durante el año 2010 se diseñó y construyó un equipo para depósito de películas diamante, según el método desarrollado en el año anterior. Dicho equipo permite obtener películas policristalinas a una velocidad de crecimiento del orden de 3 mm h-1, sobre distintos sustratos. Se han realizado ensayos exitosos sobre silicio, acero, tantalio, y alúmina, considerando en cada caso el pretratamiento adecuado al sustrato.

Tecnología y aplicaciones de aceleradores

Esta actividad se desenvuelve por un lado en torno al desarrollo de tecnología de aceleradores de iones y dispositivos asociados (como sistemas de generación de imágenes) y adicionalmente impulsa actividades de investigación, desarrollo y servicios especializados vinculados a las aplicaciones de estos sistemas a problemas biomédicos, medioambientales, micro y nanotecnológicos en particular al micromaquinado, de ciencia de materiales, como el desarrollo de nuevos materiales con usos médicos, y de espectroscopia nuclear y atómica.

Las principales actividades desarrolladas en 2010 fueron:
  • Continuación del desarrollo de un acelerador de protones de baja energía y alta corriente cuya aplicación más importante es la producción de neutrones para el tratamiento de tumores malignos intratables hasta el presente mediante la terapia por captura neutrónica en boro (BNCT). Durante 2010 se continuaron construyendo los subsistemas del acelerador incluyendo fuentes de iones de gran intensidad, fuentes de alta tensión, generadores, la estructura mecánica y electromecánica, tubos de aceleración, blanco de producción de neutrones y dispositivo de conformación del haz neutrónico. Se continuaron las simulaciones de transporte autoconsistente de haces de protones y deuterones de gran intensidad.
  • Continuación del diseño, construcción y caracterización de un prototipo de tomógrafo de fotón único (SPECT) para BNCT. Una tesis doctoral realizada en este marco mereció una mención especial dentro de premio Giambiaggi en Física Experimental otorgado por la Asociacion Fisica Argentina.
  • Realización de trabajos de simulación dosimétrica computacional y planificación de tratamiento que apuntan a optimizar el tratamiento vía BNCT con aceleradores.
  • Utilización del microhaz de iones pesados del acelerador TANDAR para el micromaquinado de superficies. En particular se continuó con el micromaquinado de guías de onda de niobato de litio, obteniéndose estructuras de una relación de aspecto muy alta.
  • Realización de estudios de modificación de propiedades de materiales poliméricos de alto peso molecular, de interés medico y biológico, inducidos por haces de iones pesados.
  • Realización de estudios de los efectos de haces de iones pesados sobre cultivos celulares determinándose el daño complejo en ADN generado por iones de litio de bajas energías. Publicación de resultados en el International Journal of Low Dose Radiation en colaboración con radiobiólogos.
  • Realización de estudios de aerosoles atmosféricos y concentración de contaminantes del aire en la red de subterráneos de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires con el método de rayos X inducidos por haces de partículas (PIXE). Se publicaron los resultados en la revista Ciencia Hoy, debido al interés general que reviste el tema.
  • Se realizaron estudios tendientes a optimizar imágenes mamograficas y contribuir a la detección temprana de lesiones.
  • Se comenzó con el desarrollo de un prototipo de acelerador de 200keV de deuterones para la producción de neutrones con miras a aplicaciones nucleares.
  • Se participo activamente en la organización del 14º Congreso Internacional sobre Terapia por Captura Neutrónica que tuvo lugar en la Ciudad de Buenos Aires y en la edición de la memoria.
  • También se tuvo participación en carácter de co-editores en las memorias del VIII Simposio Latinoamericano de Física Nuclear y Aplicaciones (Serie de conferencias del Instituto Americano de Física, AIP).
Física teórica
Se realizan estudios sobre los siguientes temas:
  • Física nuclear de bajas energías: estructura nuclear, formación de estructuras alfa y otros "clusters" en núcleo, reacciones nucleares a velocidades del proyectil relativísticas y no-relativísticas; excitaciones colectivas nucleares, resonancias gigantes y su dependencia con la temperatura.
  • Aspectos no-perturbativos de la cromodinámica cuántica: propiedades hadrónicas, comportamiento de la materia hadrónica y de "quarks" a temperatura y densidades finitas en el marco de las aplicaciones al estudio de estrellas compactas, de las transiciones de fase en el universo temprano y de las colisiones de iones pesados relativistas.
  • Tratamiento cuántico de películas de 4He en sistemas con diferentes geometrías regulares (planos, cilíndricos y esféricos). Análisis de observables.
  • Sistemas donde la mecánica cuántica, la dinámica no-lineal y los fenómenos de decoherencia juegan un rol de importancia: mapas y billares caóticos, métodos semiclásicos, teoría de orbitas periódicas, fenómenos de localización en redes fotónicas, estudio de estructuras localizadas de sistemas moleculares y mesoscópico y mapas disipativos.
  • Información cuántica: diseño de algoritmos, métodos en espacio de fases, propiedades espectrales de mapas cuánticos abiertos y modelos de decoherencias, dinámica semiclásica y transporte en mapas cuánticos abiertos.
  • "Efecto Hall" cuántico y sistemas mesoscópicos: teorías de campos conformes, campos en sistemas estadísticos y de materia condensada, modelos matemáticos y simetrías del código genético.
Investigación y Desarrollo en Celdas Solares
Se desarrollaron las siguientes actividades:
  • Se analizó el comportamiento de homojunturas y heterojunturas utilizando el código D-AMPS-1D: New Developments - Analysis of Microelectronic and Photonic Devices - one dimensional, código que resuelve numéricamente el sistema de ecuaciones acoplado del transporte de carga en una estructura formada por una multicapa de materiales semiconductores. Se trabajó sobre celdas solares de InGaP y Ge fabricadas en el IES de la Universidad Politécnica de Madrid. Particularmente, en celdas de InGaP sin antirreflectante, las características de la eficiencia cuántica externa para bajas longitudes de onda fueron interpretadas en términos del offset en el alineamiento de bandas en la interfaz ventana-emisor. Este tipo de resultados muestra la capacidad del D-AMPS-1D para proveer una interpretación física de la performance de celdas solares III-V.
  • Se realizaron tareas relacionadas con la síntesis de recubrimientos antirreflectantes, con potencial aplicación en celdas solares, por métodos de química suave. En tal sentido, se depositaron películas delgadas de SiO2, TiO2 y óxidos mixtos Si-Ti sobre obleas de Si mediante el método sol-gel, utilizando la técnica spin coating, y se evaluaron los espesores e índices de refracción obtenidos para cada óxido. Asimismo, se estudió la evolución de las propiedades ópticas y la porosidad de las películas con el tratamiento térmico a través de mediciones con técnicas de rayos X (en el LNLS de Campinas, Brasil) y elipsometría espectral adaptada para la determinación de porosidad de películas.
  • Se finalizó el desarrollo de un equipo para la medición de la respuesta espectral de celdas solares multijuntura de estructura monolítica, que incluyó la automatización de la medición y la calibración del equipo, generándose dos patrones secundarios basados en celdas de triple juntura InGaP/GaAs/Ge. Asimismo, se comenzaron actividades relacionadas con el estudio de la influencia del espectro de iluminación en la característica I-V de celdas solares de triple juntura InGaP/GaAs/Ge.
  • Se desarrolló un sistema de control digital de la temperatura y flujos de gases del horno de difusión/oxidación instalado en el Laboratorio Fotovoltaico del Departamento Energía Solar. Este nuevo sistema de control reemplaza al adquirido originalmente con el horno hace más de 20 años, y está basado en un PLC que permite correr en forma automática procesos, definidos por el usuario, que incluyan rampas de temperatura, apertura y cierre de válvulas, y cambio de caudales de gases.

Las actividades de desarrollo tecnológico en el campo de las aplicaciones espaciales y terrestres de la energía solar se encuentran descriptas en la sección sobre energías renovables.

Contacto
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