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
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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.
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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.
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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
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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.
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Estudio del núcleo 49V para investigar la correlación entre grados de
libertad colectivos y de partícula independiente.
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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
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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
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Determinación de porcentajes de mezcla de hidrocarburos y agua para pozos de
explotación petrolera.
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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:
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Propiedades termodinámicas en sistemas magnéticos con coexistencia de fase. Efecto
magneto-calórico.
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Física estadística: transiciones de fase en sistemas de espines con campos
magnéticos locales aleatorios.
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Redes complejas de utilidad en física, biología, economía, redes
informáticas, etc. Modelado de ecologías locales reales (sistemas mutualistas).
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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
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Magnetismo de baja dimensionalidad y magnetismo no colineal.
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Teoría de las relaciones entre propiedades magnéticas, electrónicas y de
transporte en sistemas nanoscópicos y nanoestructurados. Estudio particular de junturas y
superficies.
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Experimentos de simulación computacional para la descripción microscópica de
aspectos estructurales y dinámicos de interfaces y medios confinados de dimensión
nanoscópica.
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Anisotropía en "films", crecimiento, litografía, estudio de propiedades de
multicapas.
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Sistemas con propiedades magnéticas. Relación entre magnetismo, superconductividad y
magnetismo no colineal.
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Diseño y montaje de experiencias de magnetoóptica.
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Estudio de efectos de memoria inducida por campo eléctrico en interfaces metal-óxido.
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Desarrollo de "física de dispositivos", nuevas interfases, dispositivos a base de
multicapas y alambres nanoestructurados.
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Prototipos de celdas de memoria basadas en interfases metal-óxido. Sensores de campo
magnético.
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Propiedades termodinámicas para sistemas de pocas partículas confinadas y
cálculo de propiedades de adsorción de líquidos sobre sustratos varios.
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Síntesis, caracterización y estabilidad de compuestos inorgánicos y nuevos
complejos de coordinación de metales de transición.
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Síntesis de materiales nanoscópicos y nanoestructurados de óxidos simples o
mixtos de metales de transición con aplicaciones tecnológicas (sensores, celdas de
combustible).
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Desarrollo de materiales micro y nanoestructurados para membranas de intercambio de protones
alimentados con metanol o hidrógeno. Desarrollo de prototipos de celdas de combustible.
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Propiedades estructurales de compuestos de hierro.
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Aplicación de espectroscopía Mössbauer al estudio de nanomagnetismo, suelos,
óxidos y problemas de corrosión.
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Caracterización de fases intermetálicas de alta temperatura.
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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.
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Estudio de polimorfismo y estabilidad en compuestos farmacéuticos y polímeros.
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Estructuras de moléculas de interés biológico.
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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.
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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.
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Simulaciones numéricas y mecánica estadística de moléculas flexibles y
líquidos confinados. Simulación de bicapas moleculares, difusión de
moléculas de interés biológico y ambiental.
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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:
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Producción y estudio de las propiedades de materiales carbonáceos,
realizándose principalmente películas de carbono amorfo duro y de diamante
policristalino.
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Análisis de la dureza y la estructura microscópica del material resultante.
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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:
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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.
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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.
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Realización de trabajos de simulación dosimétrica computacional y
planificación de tratamiento que apuntan a optimizar el tratamiento vía BNCT con
aceleradores.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Se realizaron estudios tendientes a optimizar imágenes mamograficas y contribuir a la
detección temprana de lesiones.
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Se comenzó con el desarrollo de un prototipo de acelerador de 200keV de deuterones para la
producción de neutrones con miras a aplicaciones nucleares.
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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.
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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:
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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.
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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.
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Tratamiento cuántico de películas de 4He en sistemas con diferentes
geometrías regulares (planos, cilíndricos y esféricos). Análisis de
observables.
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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.
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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.
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"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:
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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.
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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.
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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.
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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.