MEMORIA 2012
INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO EN FÍSICA
Objetivo Estratégico 1:
Realizar investigación y desarrollo en ciencia y tecnología de aceleradores para
aplicaciones nucleares.
-
Objetivo específico 1.1:
Investigar y desarrollar tecnología para aplicaciones a problemas ambientales mediante
técnicas de análisis de alta sensibilidad.
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Objetivo específico 1.2:
Investigar y desarrollar tecnología para aplicaciones en ciencias de materiales y
dispositivos.
-
Objetivo específico 1.3:
Investigar y desarrollar tecnología para detección de explosivos, control de cargas y
materiales nucleares especiales.
-
Objetivo específico 1.4:
Investigar y desarrollar tecnologías para aplicaciones nucleares en ciencias
biomédicas con aceleradores.
Objetivo Estratégico 2:
Apoyar proyectos tecnológicos relacionados con los reactores nucleares mediante la
investigación.
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Objetivo específico 2.1:
Dar apoyo al programa de Generación IV a través de la investigación en
concordancia con los requerimientos establecidos por el plan de trabajo del área de
reactores de potencia.
-
Objetivo específico 2.2:
Dar apoyo al proyecto RA-10 a través de la investigación en concordancia con los
requerimientos establecidos por el área de reactores experimentales y de producción
de radioisótopos.
Objetivo Estratégico 3:
Generar conocimientos y tecnologías vinculadas con las ciencias físicas.
-
Objetivo específico 3.1:
Realizar investigaciones en fusión nuclear controlada.
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Objetivo específico 3.2:
Generar conocimiento en física atómica, nuclear, partículas elementales y
astrofísica.
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Objetivo específico 3.3:
Generar conocimiento en materia condensada y física de superficies.
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Objetivo específico 3.4:
Generar conocimiento en sistemas complejos y neurociencias.
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Objetivo específico 3.5:
Generar conocimiento y aplicaciones de física forense.
-
Objetivo específico 3.6:
Generar conocimientos y tecnologías de manera interdisciplinaria vinculadas con las ciencias
de la Tierra en el marco del Proyecto Internacional ICES.
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Objetivo específico 3.7:
Realizar investigación y desarrollo en energías alternativas, tecnología de
hidrógeno y celdas de combustible.
Objetivo Estratégico 4:
Investigar y desarrollar conocimiento en núcleos atómicos ultra energéticos
que impactan en la Tierra, en tecnologías y dispositivos de aplicación espacial y en
tecnologías asociadas a través del diseño, construcción,
optimización y expansión del proyecto Pierre Auger.
ACTIVIDADES Y LOGROS
FÍSICA NUCLEAR Y APLICACIONES
En el área de la Física Nuclear Experimental, las actividades que desarrollan los
investigadores están centradas en el uso del acelerador TANDAR y sus periféricos como
herramientas básicas y apuntan a obtener conocimiento y brindar transferencia
tecnológica a problemas biomédicos, ambientales, a procesos industriales, de ciencia
de materiales y espectroscópicos.
Entre las aplicaciones de técnicas nucleares se encuentran la espectroscopia gama de ultra
bajo fondo para la detección de radioisótopos de vida media corta, la técnica
de medición AMS ("Accelerator Mass Spectrometry") para la detección de
radioisótopos de vida media larga y la técnica CARPT ("Computer Assisted
Radiactive Particle Tracking") para el monitoreo de reactores químicos
multifásicos y de procesos industriales utilizando fuentes de radiación gamma. Se
realiza investigación básica en las áreas de reacciones nucleares y de
estructura nuclear (en colaboración con el Instituto de Física Nuclear de Orsay de
Francia y el Laboratorio Nacional de Legnaro de Italia).
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 investigan 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 desarrollados durante el año 2012 son los siguientes:
Mecanismos de reacción con iones pesados
-
Mediciones de secciones eficaces de quiebre de los proyectiles litio-6 y litio-7 en blancos de
samario-144 mediante la detección en coincidencia temporal de las partículas livianas
emitidas en la reacción. Estos fragmentos son identificados simultáneamente por
detectores compuestos, cuya precisa medición de energía y ángulo permite
deducir el mecanismo propuesto. El proceso de quiebre que se investiga modifica fuertemente la
probabilidad de fusión de este tipo de núcleos y esto modificaría lo que se
sabe sobre la nucleosíntesis en el "Big Bang".
-
Mediciones de secciones eficaces de dispersión elástica y cuasielástica de
litio-6, litio-7 y berilio-9 en blancos de selenio-80, estaño-120 y samario-144 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 las reacciones 10,11,14,15C+12C (colaboración con el
Laboratorio Nacional de Argonne de los Estados Unidos). Esta sistemática de fusión de
los distintos isótopos del carbono es de sumo interés en astrofísica y
será obtenida con un método novedoso, que incluye la utilización de un sistema
de detección (MUSIC) actualmente en desarrollo.
Estudio de estructura nuclear
-
Estudio de núcleos de masa 160-190 para investigar la coexistencia de formas nucleares, la
evolución de la deformación, excitaciones cuadrupolares y octupolares, propiedades
electromagnéticas de estados fundamentales y vidas medias de estados excitados.
-
Estudio de núcleos de masa 45-60 para investigar la correlación entre grados de
libertad colectivos y de partícula independiente.
Espectrometría de masas con aceleradores
-
Continuación de la investigación sobre la dispersión de yodo-129 en nuestro
país. Estudio de cuencas hidrográficas abarcando el territorio nacional. En
particular se estimaron las deposiciones integradas en las cuencas de nueve lagos
patagónicos, incluyendo el Lago Nahuel Huapi. Los resultados son compatibles con
cálculos realizados considerando la deposición en las cuencas debido a las
explosiones nucleares atmosféricas realizadas a nivel mundial desde 1945 hasta 1963. Este
estudio además permitió estimar el tiempo de residencia del yodo-129 en suelos. Este
parámetro es de especial interés debido a que el yodo-129 es uno de los componentes
de los residuos nucleares de mayor movilidad.
-
Experimentos preliminares para la detección del radioisótopo yodo-129 mediante la
técnica AMS en el Laboratorio TANDAR.
-
Medición de la relación isotópica berilio-10/berilio-9 en muestras de
interés geológico. Estas mediciones permitirán estudiar y caracterizar la
incorporación de material sedimentario subducido en el volcanismo cuaternario, con el fin de
evaluar el proceso de reciclado de material cortical durante la subducción. Se realizaron
mediciones en el Laboratorio VERA de la Universidad de Viena y se planearon mediciones en el
Laboratorio TANDAR.
-
Estudio de la deposición del polvo interplanetario sobre la tierra a través de la
detección de radioisótopos de vida media larga (en particular manganeso-53) en
muestras de hielo antártico usando la técnica AMS. Para esto se recolectó una
muestra de 1500 kg de hielo antártico.
Aplicación de técnicas nucleares a la industria
-
Determinación de cambio de fase homogéneo-heterogéneo en reactores
químicos para su optimización y detección de fallas de operación y/o
diseño.
-
Estudios de fluidodinámica simbólica.
-
Estudio de fluidos no newtonianos
En estas áreas, en 2012, se publicaron 9 trabajos en revistas internacionales con referato,
se realizaron 11 presentaciones en congresos y 3 contribuciones a actas de conferencias.
MATERIALES DUROS A BASE DE CARBONO
Los temas de investigación desarrollados durante el año 2012 son los siguientes:
-
Producción y caracterización de diamante policristalino y monocristalino.
-
Estudios de producción de grafeno.
Con un equipo diseñado previamente y realizando mejoras en el mismo, durante 2012 se
obtuvieron películas policristalinas de diamante sobre diversos sustratos (silicio,
molibdeno, tantalio, acero, etc.) y autoportantes a una velocidad de crecimiento de 50 µm/h.
También se realizaron crecimientos de diamante monocristalino sobre semilla de diamante a
una velocidad de crecimiento del orden de 50 µm/h (Foto: semilla 3x3x0.5 mm, crecido a
3.5x3.5x1.1 mm). Sus aplicaciones potenciales son detectores de neutrones, sensores de
radiación, detectores de UV, dispositivos MEMS.
Asimismo se obtuvieron depósitos de agujas de diamante del orden de 100 µm de largo.
Por otra parte, se diseñó y construyó un equipo para depositar grafeno sobre
cobre, motivados por sus múltiples aplicaciones en nanotecnología (electrónica,
optoelectrónica, etc.)
FÍSICA DE LA MATERIA CONDENSADA
Se realiza investigación tanto básica como aplicada en distintos temas de la
física del estado sólido y líquido. Existe una fuerte integración del
personal que pertenece a esta área temática, en su mayoría 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. Dentro de las
líneas principales de trabajo se encuentran: síntesis de materiales nanoestructurados
para aplicaciones en sensores y celdas de combustible, análisis de la estructura cristalina
de drogas farmacéuticas, simulación computacional de sistemas para aplicaciones en
microfluídica, estudio de las propiedades electrónicas y magnéticas de
materiales (teórico y experimental), investigación en mecánica
estadística de líquidos y sistemas complejos, estudio de sistemas de dimensiones
nanoscópicas.
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. Desde el punto de vista experimental, se cuenta con
equipamiento y personal especializado en el estudio de sólidos y superficies utilizando un
amplio rango de técnicas experimentales. Algunos ejemplos son: difracción de rayos X,
microscopía de fuerza atómica, eléctrica y magnética,
magnetometría y propiedades de transporte eléctrico en función de la
temperatura y el campo magnético, espectroscopias UV, Raman e infrarroja y espectroscopia
Mössbauer entre otras.
Una característica a destacar es la amplia experiencia y trayectoria en el campo de la
síntesis de nuevos materiales policristalinos y nanoestructurados, así como en el
área del cálculo avanzado de propiedades de sólidos. Adicionalmente, a
través de una gran capacidad en términos de conocimientos, instalaciones y
equipamiento, el grupo realiza una transferencia a la sociedad de la experiencia generada a partir
de la investigación, mediante asesoramientos y servicios a la industria local,
principalmente la farmacéutica, y en temáticas relacionadas con el medio ambiente.
En 2012 se publicaron 78 trabajos en revistas internacionales con referato, varios capítulos
de libros y conferencias invitadas, se realizó un importante número de presentaciones
en congresos, se elaboraron del orden de 1.500 informes técnicos y se organizaron varios
congresos locales ("Workshop on structure and dynamics in supercooled, glassy and nanoconfined
fluids ", "Research Coordination Meeting (RCM) on Application of Nuclear Methods for
Advanced Materials Studies for Fuel Cell and Hydrogen Cycle Technology", "Reunión
del Proyecto Twinning (MINCyT- Ministerio da Ciência, Tecnología e
Inovaçâo)" y "Frontiers of the Condensed Matter - FCM2012").
En 2012 los temas de investigación, desarrollos y servicios realizados fueron los siguientes:
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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 PEM y SOFC).
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Estudio de efectos de memoria inducida por campo eléctrico en interfaces metal-óxido.
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Efecto magnetocalórico en materiales con potenciales aplicaciones en refrigeración
magnética.
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Propiedades electroquímicas de cátodos para celdas de combustible hechos a partir de
nanotubos.
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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 y transporte polarizado en "espin" de nanoestructuras magnéticas
artificiales con aplicaciones en espintrónica.
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Prototipos de celdas de memoria basadas en interfases metal-óxido. Prototipos de sensores de
campo magnético.
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Anisotropía en películas delgadas, crecimiento, litografía, estudio de
propiedades de multicapas.
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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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Sistemas magnéticos de baja dimensionalidad y magnetismo no colineal.
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Estudio experimental y computacional de las propiedades magnéticas en nanoestructuras de
semiconductores y óxidos magnéticos diluidos.
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Correlación entre las propiedades magnéticas, electrónicas y de transporte en
junturas y superficies.
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Relación entre magnetismo, superconductividad y magnetismo no colineal.
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Experimentos de simulación computacional para la descripción de aspectos
estructurales y dinámicos de interfaces y medios confinados de dimensión
nanoscópica.
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Diseño y montaje de experiencias de magnetoóptica.
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Propiedades termodinámicas para sistemas tipo líquido simple de pocas
partículas confinadas.
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Síntesis, caracterización y estabilidad de compuestos inorgánicos y nuevos
complejos de coordinación de metales de transición.
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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 espectroscopia 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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Estructura cristalina 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.
-
Estudio de nuevos materiales con aplicaciones en problemas del medioambiente. 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.
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Estudio de patrimonio cultural mediante el análisis de pigmentos, ligantes y pinturas en
piezas arqueológicas por espectroscopia Raman y difracción de rayos X.
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Participación en el desarrollo de un método para caracterizar la fragilización
de aceros de reactores nucleares mediante ciclos de histéresis magnéticos.
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Servicios de asistencia técnica a centrales nucleares en caracterización de
materiales por análisis térmicos, espectroscopia infrarroja y difracción de
rayos X.
-
Servicios a la industria en caracterización de principios activos de medicamentos por
difracción de rayos X, espectroscopia Raman y técnicas calorimétricas.
-
Asesoramiento al personal del proyecto CAREM en la elección del material magnético
adecuado para un sensor de posición en el futuro reactor.
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Se completó la instalación de un Laboratorio de Ablación Laser para
obtención de muestras de interés en varias áreas de la Materia Condensada.
-
El proyecto "Mecanismos de Memoria en Óxidos para aplicaciones Satelitales"
recibió el premio INNOVAR 2012 en la categoría de investigación aplicada.
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 2012 fueron:
-
Continuación del desarrollo de un acelerador de protones de baja energía (acelerador
electrostático de 600 kV en el terminal) 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). Se
avanzó de manera importante en el desarrollo de las fuentes de alta tensión y los
alternadores en nuestro laboratorio.
-
Se avanzó significativamente en el desarrollo de un acelerador de protones y deuterones de
alta corriente de 200 kV en el terminal. La estructura mecánica y eléctrica del
acelerador está completada. La máquina ha sido probada a la tensión nominal
con los tubos de aceleración, íntegramente desarrollados en el país, en alto
vacío. Está máquina está pensada para la producción de altos
flujos neutrónicos utilizando las reacciones deuterio más deuterio y deuterio
más tritio.
-
Se terminó de armar y probar exitosamente un nuevo banco de pruebas para las fuentes de
iones de alta corriente que incluye un primer tubo de aceleración. El banco permitió
acelerar un haz de hasta 20 mA de protones y transportarlo y acelerarlo hasta 40 keV, con un
prototipo de cuadrupolo desarrollado en el laboratorio con una fresa de control numérico
adquirida recientemente.
-
Realización de trabajos de simulación dosimétrica computacional y
planificación de tratamiento que apuntan a optimizar el tratamiento vía BNCT con
aceleradores. Se demostró que el acelerador proyectado es capaz de producir los neutrones
necesarios para realizar los tratamientos de BNCT.
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Se avanzó de manera importante en el estudio de la reacción 9Be(d,n) como
fuente de neutrones alternativa para BNCT. Se hicieron mediciones y simulaciones computacionales que
demuestran su adecuación. Este resultado es relevante pues permite simplificar el acelerador
necesario.
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Se utilizó el 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 y de
gran tamaño.
-
Se continuó con la realización de estudios de modificación de propiedades de
materiales poliméricos de alto peso molecular, de interés médico y
biológico, inducidos por haces de iones pesados.
-
Realización de estudios tendientes a optimizar imágenes mamográficas y
contribuir a la detección temprana de lesiones.
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Participación activa en la organización de los siguientes eventos internacionales:
"15th International Congress on Neutron Capture Therapy (15-ICNCT)" con una
conferencia plenaria y 5 trabajos.
-
Organización de un taller sobre "Hadronterapia en la Argentina" en
colaboración con el Instituto de Oncología Ángel H. Roffo y el Organismo
Internacional de Energía Atómica, con participación de expertos de EEUU y
Bélgica.
Durante el año se publicaron 10 trabajos en revistas internacionales con referato y se
publicó el capítulo 3 del libro "Neutron Capture Therapy: Principles and
Applications" (Springer Verlag, 2012), titulado "Accelerator-based BNCT". Se
entregó el Premio Fairchild para investigadores jóvenes a María Herrera por su
trabajo "Planificación de tratamiento en BNCT con aceleradores", otorgado por la
Sociedad Internacional de Terapia por Captura Neutrónica.
FÍSICA TEÓRICA
Durante el año 2012 se continuó con los 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.
-
Sistemas donde la mecánica cuántica, la dinámica no-lineal y los
fenómenos de de- coherencia 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.
-
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.
-
Información cuántica: diseño de algoritmos, métodos en espacio de
fases, propiedades espectrales de mapas cuánticos abiertos y modelos de coherencias,
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.
-
Redes complejas: estudio de propiedades espectrales y de transporte de redes complejas modeladas
por sistemas complejos y reales provenientes de distintas áreas tales como
computación, tecnología, biología y economía. Clasificación y
ranking de nodos en espacio de fases.
Durante el año 2012 se publicaron 26 trabajos en revistas internacionales con referato, se
participó activamente de congresos internacionales y nacionales, se publicó la
Tercera edición del libro "Quantum Mechanics. A Modern and Concise Introduction"
D.R. Bes y la traducción japonesa de la segunda edición del libro y se
reconoció al Profesor Marcos Saraceno con el premio Consagración de Física de
la "Academia Nacional de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales".
ENERGÍA SOLAR
Investigación y desarrollo en celdas solares
-
Análisis del 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.
-
Simulación de celdas solares de germanio para aplicaciones termofotovoltaicas: se
evaluó la dependencia de los parámetros eléctricos con la temperatura del
dispositivo. Por otra parte se dieron los primeros pasos para la implementación de la
juntura túnel en celdas multijunturas basadas en materiales III-V.
-
Elaboración de capacitores MOS ("Metal-Óxido-Semiconductor") para estudio de
defectos de interfaz. Puesta a punto del proceso de oxidación de muestras basadas en silicio
y de técnicas fotolitográficas con alineaciones sucesivas. Los resultados obtenidos
en este estudio podrán aplicarse a las interfaces presentes en celdas solares.
Introducción a las técnicas de caracterización estructural de dispositivos
semiconductores: primeros pasos en la elaboración de muestras en sección transversal
para observación con microscopía electrónica de transmisión.
-
Estudio de la influencia del espectro de iluminación en la característica I-V de
celdas solares de triple juntura indio-galio-fósforo/galio-arsénico/germanio. Se
establecieron modelos eléctricos que permiten predecir el funcionamiento de una celda
típica sobre la base de mediciones sobre celdas isotipo. Se validó a partir de un
modelo dinámico de la triple juntura la medición con flash utilizada en la
verificación eléctrica de los módulos de los paneles solares para el
satélite SAC-D.
-
Conclusión del desarrollo de un sistema de control digital de la temperatura y flujos de
gases del horno de difusión/oxidación instalado en el Laboratorio Fotovoltaico que
permite ejecutar en forma automática procesos definidos por el usuario que incluyan rampas
de temperatura, apertura y cierre de válvulas y cambio de caudales de gases.
-
Comienzo del desarrollo de un "setup" basado en la técnica DLTS ("Deep Level
Transient Spectroscopy") para la caracterización de defectos en dispositivos
fotovoltaicos con aplicación en celdas multijuntura III-V y en la evaluación del
efecto de la irradiación de las mismas.
-
Desarrollo y caracterización de materiales relevantes para la fabricación de celdas
solares híbridas (inorgánico-orgánico) de estado sólido. Se
optimizó la porosidad y cristalinidad de películas de óxidos de titanio
mesoporosos fabricados por técnicas "sol-gel" y se evaluó su
combinación con materiales orgánicos (colorantes solubles) para maximizar la
absorción del espectro solar.
Aplicaciones terrestres de la energía solar
Sensores de radiación solar para uso terrestre
Se continúa con la elaboración de medidores de radiación solar
(radiómetros) de bajo costo, basados en celdas fotovoltaicas. Se realizaron los primeros
prototipos de medidores de radiación fotosintéticamente activa con filtros
comerciales.
Normas sobre conversión de la energía solar - módulos fotovoltaicos
Se continuó participando activamente en la Subcomisión de Energía Solar del
Instituto Argentino de Normalización (IRAM) cuyo objetivo es la planificación, el
estudio y la confección de normas sobre energía solar, en particular, referidas a
módulos fotovoltaicos.
Energía solar fotovoltaica interconectada a la red eléctrica
En 2011, fue adjudicado un subsidio de la Agencia Nacional de Promoción Científica y
Tecnológica para el proyecto "Interconexión de sistemas fotovoltaicos a la red
eléctrica en ambientes urbanos" que tiene como objetivo principal introducir en el
país tecnologías asociadas con la interconexión a la red eléctrica, en
áreas urbanas, de sistemas solares fotovoltaicos distribuidos. Se conformó un
convenio asociativo público-privado que incluye dos instituciones públicas, la CNEA y
la Universidad Nacional de San Martín y 5 empresas privadas: Aldar S.A., Edenor S.A.,
Eurotec Nutrition Argentina S.R.L., Qmax S.R.L y Tyco Electronics Argentina S.A. En el marco de
este proyecto se instaló en la terraza del edificio Tandar del Centro Atómico
Constituyentes de la CNEA un sistema de generación fotovoltaico de 1,5kW pico, compuesto por
8 módulos fotovoltaicos (más conocidos como paneles solares) y un inversor de
corriente continua a corriente alterna. Este sistema se puso en marcha el 4 de julio de 2012,
entregando a la red eléctrica del Centro Atómico una generación diaria cercana
a 4 kWh/día (promedio anual).
Evaluación de proyectos de centrales fotovoltaicas
A través de contratos de asistencia tecnológica con CAMMESA, se realizó la
evaluación de 4 proyectos de centrales fotovoltaicas en diferentes provincias del
país, presentados ante dicha entidad en el marco de la Resolución de la
Secretaría de Energía N° 108/2011. Dichos proyectos corresponden a centrales con
potencias pico entre 1 y 25 MW, a ser inyectadas a la red a través del Sistema Argentino de
Interconexión (SADI). Algunos de los aspectos analizados fueron el recurso solar en
función a la ubicación de la central, el diseño de la planta, el equipamiento
ofrecido y la planilla económico-financiera del proyecto. Asimismo, se realizaron
simulaciones del funcionamiento de las plantas a fin de estimar la generación
eléctrica anual esperada.
Aplicaciones espaciales de la energía solar y otros dispositivos electrónicos
El Plan Espacial Nacional, en ejecución desde 1996, prevé la realización de
diversas misiones satelitales que requieren paneles solares diseñados específicamente
y aptos para satisfacer la demanda de energía eléctrica de los satélites. La
CNEA y la Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE) suscribieron un convenio que
dio lugar a la iniciación, en abril de 2001, del proyecto "Paneles solares para uso
espacial", cuyo objetivo principal es el diseño, fabricación y ensayo de los
paneles solares de ingeniería y de vuelo para las misiones satelitales previstas en el Plan
Espacial Nacional, en particular las misiones Aquarius/SAC-D y SAOCOM IA y IB. El proyecto incluye
también la realización de ensayos ambientales, principalmente de daño por
radiación y ciclado térmico, sobre celdas solares y otros componentes para uso
satelital.
Paneles solares para la misión satelital Aquarius/SAC-D
La misión satelital Aquarius/SAC-D es un emprendimiento conjunto entre la CONAE y la agencia
espacial de los Estados Unidos (NASA), en el cual la CNEA ha sido responsable del desarrollo de los
paneles solares para dicha misión. El satélite SAC-D fue puesto en órbita el
10 de junio de 2011 y a partir de ese momento se realiza un seguimiento de los parámetros
eléctricos de los paneles solares y el subsistema de potencia a partir de datos recibidos
por telemetría. El contrato entre la CNEA y la CONAE relativo a esta misión satelital
finalizó el 31 de diciembre de 2012 con la presentación de un informe que muestra el
correcto funcionamiento de los paneles solares en órbita.
Durante 2012 se continuó con el análisis de los datos recibidos por telemetría
a fin de estudiar la evolución de las características eléctricas de los
paneles solares a lo largo de la misión.
Paneles solares para las misiones satelitales SAOCOM 1A y 1B
El proyecto satelital SAOCOM se desarrolla en el marco del "Sistema Ítalo Argentino de
Satélites para la Gestión de Emergencias" (SIASGE). La CNEA es responsable de la
integración de los paneles solares para los satélites SAOCOM 1A y 1B asociados al
SIASGE. Durante 2012 se finalizó el modelo de ingeniería ("Engineering
Qualification Model") y se inició la elaboración de cadenas de celdas solares
para el modelo de vuelo ("Flight Model") de los paneles solares para el satélite
SAOCOM 1A. Por otro lado, se realizaron simulaciones del funcionamiento del subsistema de potencia.
Paneles solares para nanosatélites
Se comenzó a trabajar en el desarrollo de paneles solares para satélites de muy
pequeñas dimensiones o nanosatelítes. En esta primer etapa, se integraron 6 paneles
solares para el satélite CUBEBUG-1 (de 100 mm × 100 mm × 227 mm y una masa de
aproximadamente 2 kg), a través de un contrato de asistencia tecnológica firmado
entre la CNEA y la empresa DISARMISTA SRL. Los paneles fueron integrados utilizando celdas solares
de triple juntura (ATJ) marca EMCORE. El lanzamiento del CUBEBUG-I está previsto para los
primeros meses del año 2013.
Estudios de daño por radiación
Durante 2012 se trabajó en simulaciones de degradación de celdas solares y sensores
solares en órbitas de baja altura (LEO, por "Low Earth Orbit"), en el marco del
proyecto SAOCOM, y en órbitas geoestacionarias (GEO), como parte de una colaboración
con la empresa ARSAT. Se colaboró también con el seguimiento del comportamiento de
los paneles del SAC-D en vuelo. Además se realizaron pruebas de la parte posterior del nuevo
arreglo de copas de Faraday para la calificación del haz con su sistema de
adquisición, actualmente están en uso nueve copas. Se finalizó el
diseño del filtro para la medición de SEP mediante haces pesados. El filtro consiste
en una lámina de tantalio con agujeros de 100 µm de diámetro que deben reducir
la intensidad del haz en un factor mil. Se estudiaron diversas técnicas para producir los
agujeros (láser, ataque químico, etc.), optándose por el uso de
máscaras y ataque químico.
Estudios de ciclado térmico
Durante 2012 se utilizó el nuevo equipo de ciclado térmico rápido desarrollado
en 2011, que permitió completar ensayos de ciclado y "shock" térmico
previamente solicitados. Esos ensayos se realizaron sobre cupones de celdas solares de vuelo de
triple juntura, del tipo utilizado en el satélite Aquarius/SAC-D integrando un total de
más de 10000 ciclos. Se diseñó y construyó un portamuestras
térmicamente aislado, apto para uso en alto vacío. Con ese dispositivo se pudieron
realizar ensayos de ciclado en "termo-vacío" en un rango amplio de temperatura,
entre -160 ºC y +130 ºC. Además de permitir la realización exitosa
de los ensayos solicitados, el experimento demostró que el diseño utilizado es adecuado
para ciclar en un rango extendido de temperatura, en forma rápida y económica.
En el año 2011 se habían efectuado reformas en el equipamiento existente, que ahora
permite efectuar ensayos de ciclado y "shock" térmico con períodos muy
cortos, del orden de 2 minutos. Usando el nuevo equipo se realizaron ensayos de ciclado
térmico de larga duración de cupones de celdas solares de vuelo correspondientes a
los paneles solares del satélite Aquarius/SAC-D, completándose ensayos de más
de 7.000 ciclos en este período. También se hicieron ensayos de "shock"
térmico de larga duración en sensores solares de silicio monocristalino construidos
en la CNEA.
En todas las pruebas realizadas se comprobó por inspección visual y por controles de
comportamiento eléctrico y fotovoltaico que, dentro de las normas de calidad vigentes, en
las muestras estudiadas no se produjeron defectos inducidos por los ciclados térmicos.
Microelectrónica - Física de Dispositivos MOS (Metal Oxido Semiconductor)
Esta línea de investigación básica está centrada en la fiabilidad de
los dispositivos MOS utilizando campos eléctricos y radiación como mecanismos de
degradación por su aplicación tecnológica.
Durante 2012 las líneas de trabajo estuvieron centradas principalmente en las siguientes
áreas:
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Estudio de estructuras MOS con dieléctricos de alta constante ("high-k
dielectrics") manufacturados por el CNM de Barcelona, España.
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Estudios de degradación de distintas tecnología SOI ("silicon on
insulator") en colaboración con el Instituto Nacional de Tecnología Industrial y
el SOITEC de Grenoble, Francia, que provee las obleas SOI. Se logró caracterizar la
tecnología y se espera comprender su respuesta a la radiación en el futuro
próximo.
-
El estudio de fiabilidad en celdas de memoria no volátil (NROM) también fue un tema
de interés. En colaboración con Tower Semiconductors de Israel y el IMM-CNR de
Catania, Italia, se desarrollaron experimentos para comprender los mecanismos involucrados en la
pérdida de información bajo radiación.
-
En relación a los aspectos básicos de la tecnología MOS se trabajó en
técnicas de caracterización orientadas a la fiabilidad y en modelización de
efectos de degradación y ruptura de óxido de puerta.
CELDAS DE COMBUSTIBLE
Investigación y desarrollo en celdas de combustible
Las principales actividades desarrolladas en 2012 fueron las siguientes:
-
Se continuó con los estudios de actividad catalítica de electrodos mesoporosos de Pt
electrodepositados sobre carbón con estructura jerarquica de poros, utilizando un copolimero
block como nanomolde. El catalizador mesoporoso presenta una muy buena estabilidad y los MEA
preparados con dicho catalizador y membranas de Nafion 117 presentan densidad de potencia de hasta
25 mWmgPt1cm2, en celdas de H2/O2 a 60 °C, lo que es mayor que las obtenidas con electrodos
comerciales de difusión gaseosa.
-
Se estudió la cinética de la reacción de reducción de oxigeno en
nanoparticulas de PdNi2 soportadas sobre carbón mesoporosos y carbón Vulcan. Los
catalizadores, obtenidos por reducción de los cloruros metálicos con borohidruro de
sodio se caracterizaron por XRD, TEM, técnicas de electrodo rotatorio y
espectroscopía de masas diferencial electroquímica (DEMS). Los catalizadores
soportados sobre carbón mesoporoso de alta superficie específica exhibe mayor
actividad catalítica que los soportados sobre Vulcan y esta es similar a la de catalizadores
de Pd, con la ventaja de una menor carga de metal noble y muestran además una excelente
tolerancia al metanol, que los convierte en buenos materiales para cátodos de celdas PEM de
metanol directo.Se ha determinado la permeabilidad de metanol y la conductividad eléctrica
de membranas de PBI y APBI en un amplio ámbito de temperaturas, pudiendo establecer el
efecto de los diversos métodos de casting sobre la microestructura de las membranas de PBI y
ABPBI. Las membranes de ABPBI presentan una barrera al metanol inferior al PBI, pero es mas de un
orden de magnitud superior al Nafion y al ABPBI entrecruzado. La correcta elección del
método de preparación de la membrana puede ser mas eficiente para evitar el crossover
de metanol que un proceso de entrecruzamiento.
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Se ha determinado las propiedades de sorción de membranas de Nafion ultradelgadas utilizando
las técnicas de microbalanza de cuarzo y elipsometría. Se ha observado que las
membranas de espesor nanométrico presentan una sorción menor que las membranas de
espesor macroscópico y que la sorción de agua depende del tipo de superficie sobre la
cual se forma la membrana. Estos resultados son de gran importancia para el modelado de la region
de tres fases en una celda de combustible PEM, donde es espesor de la capa de Nafion es
nanométrico.
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Se continuo participando del proyecto PE 36985 y en este periodo se concretó un proyecto PID
donde EDENOR y CONUAR son empresas adoptantes. El proyecto tiene como objetivo desarrollar una
estación de testeo para celdas de combustible de hasta 5 kW de potencia.
Muchos de los resultados obtenidos han dado lugar a varios trabajos presentados en revistas
científicas con alto indice de impacto, se han presentado varios trabajos en congresos y
conferencias y se ha avanzado en la formación de recursos humanos. Se concluyeron tres tesis
doctorales y se siguen desarrollando otra en el tema.