Alba Graciela Avila Bernal

Este proyecto busca nuevas formas de crear materiales para ser aplicados en biomedicina, emulando características encontradas en tejidos naturales a nivel microscópico. A partir de ahí se intenta desarrollar un novedoso sistema de manufactura de materiales, combinando ingeniería biomédica, biomímesis, diseño y ecología. Con este proyecto deseo hacer un estudio de las estructuras de la piel de diferentes organismos y su relación con los recursos florales que transportan, en general polinizadores de la biodiversidad Colombiana y las plantas y los recursos que usan.Se tendrán en cuenta las diferentes estrategias usadas para colectar esos recursos y las aplicaiones biomiméticas que puedan tener en ingeniería biomédica.

ObjetivoModelar y fabricar generadores triboeléctricos y piezoeléctricos para el reciclaje de energía por movimiento mecánico

1. RESUMEN DEL PROYECTO: El carbono amorfo tetrahedral (ta-C) posee propiedades mecánicas que lo hacen apto para gran variedad de aplicaciones, desde recubrimientos, discos magnéticos, MEM’s entre otras. Por otro lado, su contenido sp2 le otorga propiedades eléctricas, las cuales lo hacen apto para aplicaciones electroquímicas. Estas propiedades han sido estudiadas en la última década, demostrando que el ta-C es un candidato prometedor para el sensado de biomoléculas como la dopamina, y otras moléculas como el peróxido de hidrógeno, en ambientes acuosos e in-vivo, lo que permitiría el desarrollo de biosensores de selectividad y sensitividad mejorada. No obstante los esfuerzos en investigación experimental, son pocos los estudios que correlacionan las propiedades eléctricas del ta-C con su estructura microscópica. La mayoría de los trabajos teóricos solamente investigan propiedades mecánicas y estudian la estructura electrónica de ta-C. A esto se suma que para poder tener un conocimiento profundo de las causas del comportamiento electroquímico del material, es necesario profundizar en el estudio de su conductancia, causas y dependencia de parámetros intrínsecos del material como la fracción sp2/sp3, densidad y fracción aromático/olefínica; así como de parámetros de diseño como la geometría, espesor de la película depositada, entre otras. Un conocimiento más profundo del material permitirá desarrollar modelos útiles para el diseño de electrodos con propiedades específicas, aptos para el sensado selectivo de especies químicas en ambientes acuosos. Este proyecto pretende desarrollar un modelo teórico, partiendo desde el nivel atomísico hasta llegar a escala micro, que sea útil para predecir las propiedades eléctricas y el comportamiento electroquímico de electrodos basados en ta-C, correlacionados con su geometría. Dicho modelo ha de ser validado con pruebas experimentales, en las cuales han de caracterizarse la topología del material y su conductividad. Para lograr dicho objetivo, se utilizarán técnicas de simulación ab-initio, de dinámica molecular y multifísicas. Se construirán electrodos de ta-C por medios litográficos y la caracterización de la estructura microscópica de los electrodos construídos se realizará por medio de técnicas de microscopía de barrido y espectroscópicas. Los resultados serán publicados en revistas indexadas, enfocadas en simulación y sensores, y divulgados a través de eventos científicos, nacionales e internacionales. Además como producto de investigación se propone desarrollar una herramienta computacional que facilite el diseño de electrodos ta-C, disponible para la comunidad científica y académica mediante la plataforma nanoHUB. Se espera que los resultados de esta investigación sean la base fundamental para el planteamiento de futuras preguntas de investigación y proyectos relacionados con la electroquímica y las aplicaciones del ta-C en el país. 2.3 Objetivos: General: Desarrollar un modelo cuantitativo que relacione la estructura atómica y geométrica de electrodos de ta-C con su conductividad y comportamiento electroquímico. Específicos: Estudiar las características del transporte electrónico en ta-C desde una aproximación teórica atomística usando teoría del funcional de densidad y funciones de Green de no equilibrio, correlacionando los resultados al radio sp2/sp3 y cómo las dimensiones y geometría del material las afecta.  Caracterizar las muestras de ta-C obtenidas, mediante métodos espectroscópicos y de microscopía de barrido para obtener información detallada de su estructura atómica y topología, así como análisis eléctrico, para obtener información de conductancia.  Estudiar mediante análisis electroquímico los electrodos de ta-C construidos con las muestras previamente caracterizadas, correlacionando su conductividad y otras propiedades con la sensibilidad del material a la dopamina.  Refinar el modelo teórico usando la información experimental recopilada, de modo que pueda ser utilizado de forma predictiva en aplicaciones de biosensado electroquímico o bioestimulación.  Desarrollar un modelo coarse-grained y un modelo medio continuo del ta-C usando dinámica molecular y el método de elementos finitos, respectivamente.Metodología Propuesta: 1. Obtener una correlación entre la conductancia, el radio sp2/sp3, la densidad, el espesor de película y la geometría de los electrodos, utilizando un modelo atomístico a pequeña escala, mediante teoría de funcional de la densidad, para el cálculo de estructura y propiedades electrónicas (potencial electroquímico, densidad de estados, radio sp2/sp3, densidad, etc.) y funciones de Green para calcular propiedades de transporte (transmisión, potencial electrostático en el espacio, canales de transmisión, etc.). Para esto se utilizará DFT-NEGF como está implementado en el paquete SIESTA-TranSIESTA [28], [29]. 2. Diseñar mediante métodos fotolitográficos microelectrodos de ta-C, con distintas propiedades (espesor, radio sp2/sp3), con los cuales se puedan realizar mediciones para correlacionar con los resultados previamente obtenidos. 3. Caracterizar la superficie de los electrodos diseñados. Es necesario utilizar distintas técnicas de caracterización, tales como espectroscopia Raman, para obtener características composicionales, SEM y AFM para información topológica y superficial, cAFM para analizar la transmisión y conductancia localizada. 4. Medición de la conductancia de los electrodos diseñados mediante equipos de puntas. Se debe establecer la conductancia de distintas muestras con distintas características, con el fin de obtener información estadística relevante para concluir experimentalmente.Utilizar los electrodos de ta-C como electrodo activo en mediciones electroquímicas de soluciones de dopamina y peróxido de hidrógeno. En este paso deben correlacionarse las características de conductancia previamente estudiadas con el comportamiento electroquímico del material. 6. Indagar y evaluar los métodos más apropiados para la realización de un modelo a mayor escala de la electroquímica del material. Inicialmente se proponen como métodos el modelamiento macro en COMSOL, y la dinámica molecular con campos de fuerza reactivos que permiten modelar este tipo de sistemas electroquímicos. 7. Con los resultados previamente obtenidos, implementar un código abierto que como entradas tenga los distintos parámetros del material, y como salida entregue el resultado de la electroquímica del electrodo especificado. Este código ha de servir como herramienta predictiva para el diseño de electrodos de ta-C. 8. Documentar, consignar (tesis de maestría), publicar y divulgar resultados, generando una propuesta de continuación de la investigación, que permita ampliar el conocimiento del taC como material activo de biosensado.  

El incremento de la productividad y la competitividad de la industria van de la mano del mejor uso de recursos disponibles, desarrollo de tecnología y actualización de su recurso humano, apalancados por el avance en áreas de la ciencia e ingeniería. El diseño de materiales es un área en donde se realizan adelantos constantes y donde la resistencia al desgaste y la corrosión poseen un papel protagónico, por tanto el desarrollo de nuevos procedimientos para evaluar las propiedades tribológicas y resistencia a la corrosión, permitirá incrementar la eficiencia y avanzar en el estudio de procesos de transformación. Cuando la complejidad del sistema hace necesario el uso de lubricantes líquidos, persisten fallas debido a factores internos, como el propio lubricante o a externos, como la generación de burbujas y sedimentación de partículas o migración por gravedad. Debido a esto es necesario determinar la capacidad de los lubricantes líquidos a adherirse y soportar las condiciones de trabajo, las cuales pueden salirse del rango de operación y generar avances tecnológicos que permitan proteger la superficie del desgaste y la corrosión usando recubrimientos duros o blandos.Durante la presente propuesta se determinarán las propiedades tribológicas y resistencia a la corrosión de materiales usados en aplicaciones industriales, combinando diferentes tratamientos superficiales y lubricantes líquidos usados en la industria nacional, estudiando las propiedades interfaciales de superficies sólidas y liquidas en contacto. Para esto se sintetizaran dos sistemas de recubrimientos, multicapas de titanio y bisulfuro de tungsteno dopado con titanio, las cuales actúan como lubricantes sólidos y multicapas de nitruro de titanio y nitruro de circonio, con altas propiedades mecánicas, sobre substratos de Silicio y acero AISI D2 con diferentes rugosidades.Al combinar estos materiales con lubricantes líquidos, es necesario estudiar los fenómenos interfaciales que ocurren a escala micro y nano, para luego ser escalados y poder predecir su comportamiento en campo, teniendo en cuenta las interacciones atómicas generadas en la superficie del lubricante, los mecanismos de generación de partículas, moviendo de grietas y fallas adhesivas. Las propiedades mecánicas se estudiaran por medio de nanoindentación instrumentada, la adhesión interfacial usando rayado dinámico y estático en contactos sólido-sólido y la microscopia de barrido Kelvin (SKFM) para contacto sólido-líquido y las propiedades tribológicas por medio pin sobre disco, estas últimas se realizaran en presencia de lubricantes líquidos utilizados en la industria de los engranajes y los equipos hidráulicos. Las propiedades electroquímicas se determinarán a través pendientes Tafel y espectroscopia de impedancia electroquímica. Este estudio permitirá evaluar el desempeño de los recubrimientos y se avanzará en el entendimiento de los fenómenos interfaciales a diferentes escalas, desarrollando un protocolo que permita determinar la resistencia al desgaste y la corrosión para aplicaciones en la industria nacional e internacional y fomentar el trabajo conjunto de las facultades de ingeniería de la Universidad del Valle y la Universidad de los Andes, articulando su infraestructura y promoviendo la movilidad de los investigadores de los grupos de Recubrimientos Duros y Aplicaciones Industriales y Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes. Palabras clave: Recubrimientos, tribología, desgaste, lubricación, corrosión, fenómenos interfaciales, caracterización, microscopia de fuerza atómica.  2.3 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Identificar estrategias con el fin de incrementar la resistencia al desgaste y a la corrosión de superficies lubricadas, mediante la realización de diferentes tratamientos superficiales, determinando sus propiedades tribológicas y electroquímicas a escala nano y relacionarlas con los fenómenos macro de piezas industriales. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Modificar la superficie de sustratos de silicio y acero mediante la deposición de recubrimientos duros y blandos con diferentes rugosidades y determinar sus propiedades básicas tales como: estructura cristalina y composición química, características superficiales y esfuerzos residuales. Determinar la resistencia al desgaste y la corrosión de las superficies en ambientes secos como sumergidos en lubricantes líquidos naturales y sintéticos, utilizando técnicas avanzadas tales como nanoindentación instrumentada, rayado dinámico y estático, pin sobre disco, microscopía de barrido por sonda y microscopía de barrido Kelvin. Fomentar el trabajo conjunto de los grupos de investigación de las facultades de ingeniería de la Universidad del Valle y la Universidad de los Andes, permitiendo la cooperación al combinar la infraestructura y promover la movilidad de los investigadores de los grupos de Recubrimientos Duros y Aplicaciones Industriales RDAI y Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes CMUA. Desarrollar un protocolo a escalas micro y nano que permita estudiar y determinar propiedades tribológicas y de electroquímicas en superficies modificadas para aplicaciones de resistencia al desgaste en la industria nacional e internacional.2.4 METODOLOGIA Etapa preliminar: La etapa preliminar involucra la búsqueda bibliográfica en la literatura de información que permitan conocer trabajos realizados por diferentes autores y otros grupos de investigación nacionales y del extranjero, lo cual ayudará a identificar los conceptos y los avances realizados en el área de los recubrimientos en capa delgada, técnicas de deposición, lubricación sólida y propiedades de obtenidas para los diferentes recubrimientos inteligentes de naturaleza lubricante así como para recubrimientos duros. También se explorará sobre las técnicas actuales de medición de adhesión interfacial en películas delgadas, así como avances en la técnica de microscopía de barrido Kelvin y las aplicaciones de simulación computacional. Etapa 1: Esta etapa comprende la preparación de los substratos de acero y silicio que serán utilizados para la deposición de los recubrimientos. Las probetas de acero serán tratadas con lijas de carburo de silicio y pulidas hasta alcanzar un acabado especular (Ra≤100nm), para después ser limpiadas por medio de ultrasonido en acetona. Los sustratos de silicio poseen acabados superficiales adecuados desde su manufactura, por tanto, la limpieza ultrasónica es suficiente para obtener acabados con rugosidades inferiores al acero en la mayoría de los casos. Al ser ingresados al reactor, se realiza limpieza por plasma en atmósfera de argón durante 15 minutos. . Etapa 2: En esta etapa se depositarán tres tipos de recubrimientos en forma de película delgada mediante la técnica magnetrón sputtering, los dos tipos de recubrimientos se especifican a continuación: Etapa 2.1: Deposición de multicapas de (TiN/ZrN)n, con n=número de capas, utilizando magnetron sputtering reactivo y cátodos de Ti y Zr (99.99%-PLASMATERIALS INC). Etapa 2.2: Deposición de multicapas de (Ti-WS2/Ti)n, con n=número de capas, utilizando magnetron sputtering DC y cátodos de WS2 (99.95%- PLASMATERIALS INC) y Ti (99.95%-PLASMATERIALS INC). Etapa 2.3: Patronamiento de superficies recubiertas: Se generarán diferentes patrones a diferentes escalas sobre los substratos de silicio definidos por la combinación de técnicas litográficas y procesos de ataques químicos. Sobre estos se depositaran los lubricantes y con ellos tendremos las muestras para la caracterización por microscopia de barrido. Es importante recalcar que contaremos con mínimo dos fuentes de obleas de silicio de dos fabricantes de ellas, y serán utilizadas como muestras de referencia en las cuales no se realizarán patrones. Estas muestras también serán cubiertas con los lubricantes objeto del proyecto y se estudiaran sus propiedades de adherencia. Al final de se espera tener información de cómo los patrones impactan la adherencia de los lubricantes comparados con las muestras de referencia. En este proceso también se estudiaran como efectos ambientales como temperatura impactan la adhesión del lubricante. Etapa 3: En esta etapa se realizará la caracterización de propiedades de las superficies obtenidas para determinar: ● Estructura cristalina → Difracción de rayos X ● composición química → Espectroscopía Raman ● Propiedades superficiales → Perfilometría de contacto y microscopía de fuerza atómica (AFM). ● Etapa 4: En esta etapa se implementar las técnicas de análisis ingenieriles, que permitirán determinar la eficiencia y capacidades de las superficies recubiertas: ● Propiedades mecánicas→ Nanoindentación instrumentada. ● Adhesión de recubrimientos→ Rayado dinámico y estático. ● Propiedades tribológicas→ pin sobre disco en ambientes secos y húmedos (sumergidas en lubricantes líquidos sintéticos y naturales). ● Resistencia a la corrosión→ Resistencia a la polarización lineal, pendientes tafel, espectroscopia de impedancia electroquímica. ● Propiedades de adhesión interfacial entre las superficies y los lubricantes utilizados→ Implementación la técnica de microscopía de barrido Kelvin (SKFM). De las imágenes y datos obtenidos por esta técnicas se propondrán análisis sobre ellas para determinar cantidad de material removido o estimaciones de carga superficial Etapa 5: En esta etapa se realizará una simulación computacional de los ensayos de adhesión propuestos, según las siguientes subetapas: Etapa 5.1: Generación de modelos constitutivos y de energía para modelar la interacción del cantiléver del SKFM con la muestra, así como de los modelos constitutivos de la interfaz película/substrato para las propiedades de adhesión del sistema y la interacción completa del sistema, cantiléver-película-substrato. Etapa 5.2: Generación de la representación matricial de los modelos. Generación de código y algoritmos para la implementación computacional utilizando el método de elementos finitos. Etapa 5.3: Aplicación del modelo mediante el software Abaqus y Fortran. Verificación del modelo mediante comparación con medidas experimentales por microscopia de barrido Kelvin y el ensayo de rayado dinámico. Etapa 6: Según el diseño de las etapas anteriores, el análisis de resultados será continuo, permitiendo la constante comparación y discusión con resultados previos y con aquellos de la literatura. El análisis se realizará teniendo en cuenta los parámetros estructurales, químicos, superficiales, mecánicos, eléctricos y computacionales para posteriormente observar y explicar las propiedades interfaciales. A partir de los análisis realizados y las conclusiones obtenidas se publicaran los resultados en revistas nacionales e internacionales indexadas, así como la proposición de un método alternativo para medir adherencia en materiales en forma de película delgada sobre diferentes tipos de substratos. 

Manufacturar un prototipo de membrana de ultrafiltracion compuestos por filosilicatos y nano-particulas de ?-Fe2O3 sobre un soporte bi-capa de arcilla común