Centro de Ciencias de la Complejidad

Transcripción

1 Centro de Ciencias de la Complejidad TEMAS DE INVESTIGACIÓN N SUSTENTABLE Ricardo Vera Graziano Instituto de Investigaciones en Materiales UNAM 24 de mayo, 2011

2 Guión Ciencia e Ingeniería a de Materiales Aspectos comunes El IIM Concepto de sustentabilidad Temas de investigación n y proyectos representativos

3 La CeIM es inter y multidisciplinaria

4 La Ciencia e Ingeniería a de Materiales Es una disciplina coherente que combina el conocimiento de la materia condensada con el mundo real de la función n de los materiales y su desempeño

5 Interacciones de la CeIM Tradicionales : - La físicaf sica, La química y - - las ingenierías.

6 Interacciones recientes - La biomedicina, - La biología, - La inteligencia artificial, - La nanocienica y la nanotecnología - La complejidad?

7 Función de la CeIM Al convertir una porción n de materia en un material que se procesa para satisfacer una necesidad humana se cumple una función n social.

8 El C3 Una forma diferente de realizar investigación científica en MéxicoM Un espacio para enfrentar problemas científicos de frontera y de carácter cter interdisciplinario de gran importancia social y económica Establecer un diálogo que desemboque en actividades académicas de interés s común para la solución n de problemas nacionales

9 El IIM: Misión Realizar investigación n científica y tecnológica sobre la estructura, las propiedades, los procesos de transformación, n, la aplicación n y el desempeño o de los materiales.

10 Objetivos Contribuir al estudio teórico y experimental de los materiales. Formar recursos humanos de excelencia en el área. Difundir ampliamente los estudios que se realizan, los resultados y productos que se obtengan.

11 Objetivos,, cont. Generar nuevos materiales, procesos de transformación n y aplicaciones. Contribuir a la aplicación n tecnológica de los materiales y propiciar la vinculación n con el sector industrial. Prestar servicios de investigación científica y tecnológica.

12 Que Sigue? Lograr una visión n más m s integradora Introducir los conceptos del desarrollo sustentable en los proyectos de investigación

13 La sustentabilidad

14 Proyectos que tienden a apoyar el desarrollo sustentable, es decir, los orientados a satisfacer las necesidades del presente sin comprometer las necesidades de las futuras generaciones.

15 Los materiales son indispensables para el desarrollo humanos Pero podemos desarrollarlos bajo los principios de la sustentabilidad, es decir, teniendo en la mira que nuestro desarrollo económico y social debe ser respetuoso con el medio ambiente.

16 El desarrollo sustentable Se aplica al desarrollo socio-econ económico Informe Brundtland,, 1987, ONU Comisión n mundial de medio ambiente y desarrollo

17 En mi opinión n sers ería limitativo restringir el concepto de desarrollo sustentable exclusivamente a los temas ambientales.

18 Reglas básicas Ningún n recurso renovable deberá utilizarse a un ritmo superior al de su generación Ningún n contaminante deberá producirse a un ritmo superior al que pueda ser reciclado, neutralizado o absorbido el ambiente Ningún n recurso no renovable deberá usarse a una velocidad mayor de la necesaria para sustituirlo por un recurso renovable

19 La línea de triple resultado medida del desemped esempeño o de una empresa en tres dimensiones: Resultado financiero + resultado social + resultado ambiental. John Elkington 1994, Cannibals With Forks

20 Los materiales, su desarrollo y su estudio en Áreas prioritarias del desarrollo social: - Medio ambiente, - Energía, - Salud e - Informática

21 Estas áreas prioritarias dependen hoy en buena medida del ciclo de vida de: - Los nuevos materiales y - De nuevas aplicaciones de materiales tradicionales.

22 Temas de investigación n en el IIM.

23 Temas que de alguna manera toman en cuenta que: El desarrollo y el bienestar social están limitados por el nivel tecnológico, los recursos del medio ambiente y la capacidad del mismo para absorber los efectos de la actividad humana.

24 . Libro 100 preguntas y 100 respuestas sobre materiales Catalogo de Proyectos del IIM

25 Estudios para la recuperación n y conservación n de nuestro Planeta Tierra

26 Reciclaje primario y secundario de llantas. Reciclado de desechos elastoméricos industriales. Reciclaje de polímeros

27 Captura de contaminantes Membranas poliméricas para separación n de gases y líquidos. l Membranas para la industria petrolera y eléctrica.

28 Reciclaje Químico de Llantas Desecho anual de llantas México: 25 millones USA: más m s de 300 millones Europa: otro tanto

29 Tiradero de llantas a cielo abierto

30 Algunas consecuencias Proliferación n de fauna nociva, Contaminación n del agua en los mantos freáticos, Riesgo de incendios casi siempre incontrolables que emiten gases sumamente contaminantes, incluyendo metales pesados.

31 Métodos actuales de reciclaje: Molienda de llantas, almacenamiento y reciclaje físico, f Pirólisis y Quema de llantas Desventajas: Baja recuperación, contaminación, n, altos costos.

32 En basureros abiertos y ríos r subterráneos que pasan por diversos tiraderos, la concentración n de los metales pesados aumenta.

33 Proyecto IIM: Dr. Mikhail Tlenkopatchev Transformación n del hule en productos de alto valor agregado sin generar ningún subproducto: - Hule reutilizable en la fabricación n de llantas nuevas, - hidrocarburos para la fabricación n de adhesivos, pinturas y recubrimientos e incluso combustibles limpios, - Carbón.

34 Ruta Transformación n química por medio de nuevos catalizadores. Productos aprovechables: - Materia prima para fabricar hule - Recuperación n del negro de humo - Recuperación n del metal.

35 Semiconductores en Fotocatálisis Al activarse por la luz pueden oxidar o reducir compuestos que estén n en contacto con ellos y transformar compuestos tóxicos t en productos inofensivos: - Monóxido Bióxido de carbono - Degradación n de colorantes nocivos en sustancias inofensivas.

36 Combustión n incompleta de gases

37 Semiconductores activados por la luz solar. Semiconductores estables y eficientes: TiO2 y ZnO. Sin embargo, su brecha prohibida es de solo 3.2 ev y solo se activan por radiación n ultravioleta.

38 Proyecto IIM: Semiconductores de ZnO - Al Dra. Monserrat Bizarro Sordo Al envenenar el óxido de zinc, ZnO,, con aluminio, Al, se logra un semiconductor que se activa con luz en el espectro visible. Su eficiencia de degradación n es 2 veces mayor que la del TiO2. Permite degradar compuestos orgánicos de manera eficiente: colorantes textiles no biodegradables como anaranjado de metileno.

39 Membranas selectivas La separación n de gases a través s de la permeación selectiva en membranas poliméricas es una de las ramas de más s rápido r crecimiento de la industria química. Su importancia ecológica es cada vez mayor

40 . Estudios para la generación, n, almacenamiento y uso de la energía

41 Celdas de combustible y baterías as modernas. Cerámicos para sensores ambientales. Nuevos electrodos de baterías as recargables.

42 Celdas de combustible Las celdas de combustible pueden sustituir en varios campos a los combustibles fósiles f que deterioran el medio ambiente. Estas celdas permiten obtener energía a eléctrica limpia a partir del hidrógeno.

43 Las celdas de combustible de estado sólido (SOFC) son muy eficientes pero costosas y requieren operar por arriba de los 900 C. Estas temperaturas se deben a la baja conductividad de los materiales usados como electrolitos.

44 Proyecto IIM: Películas para celdas de combustible Dr. Mario Fidel Se estudian películas delgadas de óxidos de circonio y cerio dopadas con itrio por rocío pirolítico tico. Se ha logrado abatir la temperatura de operación n de las celdas de 900 C a 650 C para lograr eficiencias más m s altas y menores costos.

45 Fotografia ATM de película de óxido de circonio

46 Celdas solares La eficiencia de las celdas solares (silicio) se ve afectada porque casi no aprovechan la luz UV proveniente del sol. Al usar una capa que convierta la radiación n UV en visible se aumenta la eficiencia hasta en un 25%.

47 Panel de celdas fotovoltáicas

48 Optimización n de celdas solares Se pueden optimizar las celdas solares sin interferir con los procesos de fabricación n ya establecidos en las fábricas. f

49 Proyecto IIM: Recubrimientos antireflejantes en celdas solares. Dra. Betsabee Marel Monroy Se elaboran y estudian películas de nitruro de silicio cargadas con nanopartículas de silicio. Estas películas son económicas y se incorporan fácilmente f a los dispositivos fotovoltaicos a nivel industrial.

50 Su incorporación n es adaptable a los procesos industriales: el nitruro de silicio es un material estándar para los recubrimientos antirreflejantes y pasivantes de las celdas. Otra ventaja es que se depositan de manera independiente de la capa activa de la celda solar donde se lleva a cabo la separación n de los portadores de carga.

51 Películas delgadas de silicio. La producción n de silicio en forma de obleas para la fabricación n de celdas fotovoltaicas sigue siendo costosa. Una alternativa es fabricar películas delgadas de silicio sobre sustratos de bajo costo.

52 Proyecto IIM: materiales nanoestructurados y polimorfos. Dr. Guillermo Santana Rodríguez Nuevos materiales compuestos por una matriz de silicio amorfo embebido con nano o micro cristales de silicio. La distribución n de cristales y sus tamaños le otorgan al material propiedades únicas, muy similares al silicio amorfo desde el punto de vista de absorción óptica.

53 Eléctricamente se parecen a un policristal de silicio. Los valores de longitud de difusión de los portadores minoritarios es 10 a 30 veces superior al del silicio amorfo convencional.

54 Este nuevo material además s garantiza mayor estabilidad bajo radiación intensa y cambios bruscos de temperatura, haciéndolo más m s adecuado para su uso en sistemas fotovoltaicos.

55 . Estudios sobre materiales para medicina y salud

56 . Síntesis y propiedades de hidroxiapatita,, fosfatos de calcio y biovidrios. Síntesis y caracterización n de resinas dentales y óseas. Esponjas de colágena. Nanofibras biocompatibles. Polímeros biodegradables.

57 . Biomecánica de válvulas v cardiacas. Aleaciones y nuevos compuestos de matriz metálica. Nuevos compuestos de matriz polimérica.

58 Spin off Dra. Cristina Piña a Barba. Desarrollo de un biomaterial con base en hueso de bovino que permite regenerar tejidos. Generó una empresa Biocriss,, SA de CV. Ha desarrollado productos como el Nukbone.

59 Andamios celulares Un aspecto crucial en ingeniería de tejidos es la identificación de andamios adecuados que soporten las exigencias del crecimiento celular y la regeneración del tejido. Como lograr el crecimiento celular y la regeneración n de la dentina y, a la vez, proteger el diente a restaurar?

60 Hidroxiapatita

61 Rui Li, Biomaterials,, 2011

62 El enfoque Desarrollar un sistema que permita regenerar la dentina por medio de un andamio que este protejido contra los esfuerzos mecánicos y biológicos del medio bucal

63 Aplicaciones biomédicas del poli(acid láctico), PLA Es un termoplástico que se puede procesar fácilmente para obtener prodúctos útiles. Sus aplicaciones en biomedicina provienen de su biocompatibilidad y propiedades mecánicas Se degrada como ácido láctico que es metabólicamente inocuo

64 Dos desventajas del PLA Hidrofóbicidad Baja reactividad ante moléculas bioactivas

65 Proyecto IIM : Nuevos derivados del PLA Dr. Ricardo Vera Graziano PLLA unido químicamente a partículas de hidroxiapatita. PLLA injertado en colágena tipo 1. PLLA injertado en poli(fosfaceno).

66 El equipo

67 Morfología a del andamio

68 Distribución de la HA en las fibras

69 En desarrollo Pruebas de cultivos de células mesenquimales de humanos y ratas

70 Estudios sobre Nanomateriales y Nanotecnología.

71 Nuestro habitat en el Planeta Tierra En realidad es más m s un espacio ocupado por fluidos que por sólidos: s - El aire - El agua

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73 Las oleadas de convección n de un fluido calentado en un sistema cerrado xhiben un comportamiento oscilatorio.

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75 Que Sigue? Lograr una visión n más m s integradora Introducir los conceptos del desarrollo sustentable en los proyectos de investigación

76 y como?.. Un camino es la relación sinérgica con los estudios del C3

77 . Gracias