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MEMORIA 2009

Física nuclear experimental y temas relacionados

El grupo de Física de Iones Pesados y Espectrometría de Masas con Aceleradores (FIPEMA) utiliza el acelerador TANDAR y sus periféricos para investigar los mecanismos de reacción nuclear. Entre estos mecanismos se incluyen procesos de fusión completa e incompleta, dispersión elástica e inelástica y quiebre ("breakup"). Asimismo, en colaboración con el Instituto de Física Nuclear de Orsay, Francia y el Laboratorio Nacional de Legnaro, Italia, se llevan a cabo estudios de estructura nuclear a altos y bajos momentos angulares a través de reacciones de fusión-evaporación y fotofisión del uranio. Utilizando similares métodos y dispositivos experimentales se realizan mediciones con la técnica AMS (Accelerator Mass Spectrometry) que permite la detección de radioisótopos de larga vida media en concentraciones tan bajas como 10-15 respecto de su isótopo estable. Mediante esta técnica se estudian la distribución del radioisótopo 129I en muestras ambientales (colaboración con la Gerencia Química de CNEA y la Univ. de Viena) y reacciones nucleares de interés astrofísico (colaboración con la Univ. Técnica de Munich). En el área de aplicaciones de técnicas nucleares se realizan estudios de biorremediación de aguas. También se aplican técnicas nucleares para determinar fallas de diseño y funcionamiento de reactores químicos multifásicos y desarrollar métodos de determinación instantánea de la evolución de procesos industriales.

Específicamente, los temas de investigación en desarrollo son los siguientes:
Mecanismos de reacción con iones pesados
  • Mediciones de secciones eficaces de quiebre de los proyectiles 6Li y 7Li en blancos de 144Sm mediante la detección en coincidencia temporal de las partículas livianas emitidas en la reacción.
  • Mediciones de secciones eficaces de dispersión elástica y cuasielástica de 6Li, 7Li y 9Be en blancos de 80Se, 120Sn y 144Sm para obtener información sobre el rol del canal de quiebre del proyectil y su efecto en las denominadas anomalía umbral y distribución de barreras.
  • Medición de secciones eficaces de 7Li sobre 27Al a ángulos traseros. Estos datos aportan información necesaria para aplicar la técnica de espectrometría de retro-dispersión de Rutherford (RBS) al análisis elemental de láminas delgadas.
  • Estudios experimental y teórico de la distribución de estados de carga de haces de iones pesados en el intercambiador de electrones (stripper) del acelerador TANDAR. Este estudio aporta datos de gran importancia para la operación de aceleradores.
  • 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, EE.UU.). La reacción con el radioisótopo 30P tiene interés en astrofísica en relación con las explosiones estelares de rayos X.
Estudio de estructura nuclear
  • Estudio de los núcleos 187Pt y 168Tl para investigar la coexistencia de formas nucleares y la evolución de la deformación, excitaciones cuadrupolares y octupolares, y propiedades electromagnéticas de estados fundamentales.
  • Medición de vidas medias de estados nucleares excitados poblados de los núcleos 137Cs y 139Cs por decaimiento radiactivo utilizando centelladores de última generación de LaBr3.
Espectrometría de Masas con Aceleradores
  • Detección del radioisótopo antropogéneo 129I, tendiente a evaluar los efectos ambientales a largo plazo de la producción de energía nuclear y el desecho de los residuos radiactivos. Se analizaron muestras de agua y de tiroides vacunas de diversas regiones del territorio argentino, mostrando contenidos de 129I mucho menores que en muestras del hemisferio norte.
  • Mediciones de la intensidad de las resonancias de interés astrofísico de la reacción p + 25Mg, que produce 26Al.
Aplicaciones de técnicas nucleares
  • Monitoreo no invasivo de diferentes reactores químicos multifásicos y de procesos industriales por medio de trazadores radiactivos (24Na, 198Au, 46Sc) y detectores centelladores de NaI.
  • Desarrollo de un método de determinación instantánea de la evolución de la relación de mezcla de hidrocarburos y agua.
  • Estudios mediante espectrometría gamma de la capacidad del hongo Acidithiobacillus thiooxidans para la biorremediación de uranio en agua.

En el período informado este grupo publicó 8 trabajos en revistas internacionales con referato, realizó 15 presentaciones a conferencias, 3 contribuciones a las respectivas actas y presentó un informe técnico a la empresa YPF S.A. Asimismo, se completaron dos tesis de licenciatura y un integrante del grupo, el Dr. Andrés Arazi, recibió el premio Estímulo Juan José Giambiagi en Física experimental de la Academia Nacional de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.

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

La interacción entre los desarrollos e innovaciones alcanzados en el grupo y la industria local ha sido fructífera pero tal vez la de mayor empuje en estos últimos tiempos sea la interacción con la Industria Farmacéutica a la cual se le prestan servicios y asistencia tecnológica en el área de polimorfismo. Los servicios brindados por nuestro grupo se basan en los estudios y en la caracterización del estado sólido tanto en Principios Activos Farmacéuticos, APIís, como en los productos terminados. La incorporación del nuevo equipamiento de Espectroscopía Raman permitió que se comenzara con la prestación de servicios para la conservación del patrimonio cultural, mediante el análisis de pigmentos, ligantes y pinturas que sirven para la caracterización físico química de obras de arte y muestras arqueológicas y las técnicas utilizadas en su manufactura, datos de vital importancia para conservadores y restauradores. Representan una contribución al desarrollo de un catálogo internacional unificado de pigmentos y en la datación y reconocimiento de obras del patrimonio cultural y arqueológico nacional. 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 (TAREA-UNSAM) Todos estos aspectos han convertido a este grupo en uno de los mayores referentes en el estudio del estado sólido o fases condensadas de la materia, estando preparados para dar respuesta a una amplia gama de problemáticas.

Materiales duros a base de carbono
Los temas de investigación son los siguientes:
  • Producción y estudio de las propiedades de materiales generados a través de un depósito de iones de carbono, realizándose principalmente películas de carbono amorfo duro y de diamante policristalino.
  • Análisis de la dureza y la estructura microscópica del material resultante.
  • Estudios de la interfaz entre el sustrato y el depósito con el propósito de tener una buena adherencia, para lo cual se realiza un pretratamiento al substrato, depositando una delgada película de silicio amorfo y nanocristalino.

En 2009 se continuó con el desarrollo del método novedoso de depósito de partículas policristalinas de diamante (recubrimiento duro), que permite una buena calidad del producto con una velocidad de crecimiento sustancialmente mayor que las técnicas convencionales.

Aplicaciones derivadas de la tecnología nuclear
Energías renovables e hidrógeno

Se realizan tareas de investigación y desarrollo en fuentes renovables de energía como alternativa o complemento de los sistemas tradicionales de generación.

En 2009 se trabajó en:
  • El estudio, caracterización y simulación numérica de celdas solares de Si cristalino y celdas solares monojuntura y multijuntura basadas en semiconductores compuestos por elementos de las columnas III y V de la Tabla Periódica de los Elementos, estableciéndose una colaboración formal con grupos del INTEC-CONICET (Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química) de Santa Fe y la Universidad del Comahue a través del proyecto PIP-CONICET2009-2011 Nº 02318 "Estudio Teórico-Experimental de Celdas Solares para Aplicaciones Terrestres y Espaciales".
  • El desarrollo de celdas solares basadas en materiales semiconductores III- V, en colaboración con el INTEC en lo que se refiere a simulación y diseño de los dispositivos, y con el Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) en lo relativo a la caracterización y fabricación, a través del proyecto de colaboración "Caracterización Comparada de Células Multiunión basadas en Semiconductores III-V" financiado por la UPM .
  • El desarrollo de radiómetros fotovoltaicos PAR (sensores de radiación solar fotosintéticamente activa). La radiación PAR es un parámetro de importancia relacionado con la porción de la radiación solar global que es aprovechada por las plantas para sus procesos, definida como la porción del espectro electromagnético comprendida entre 400 nm y 700 nm, su importancia es clave en la comprensión de diversos procesos biológicos y la estimación del crecimiento de cultivos.
  • El desarrollo de materiales (membranas, membranas difusoras de gases y catalizadores) para celdas de combustible alimentadas con metanol, en el marco del proyecto PICT "Start Up 35403". Se construyó un prototipo de celda PEM con materiales propios. Se concretó una tesis doctoral en el tema (IS-UNSAM, Mención Materiales)
  • Se avanzó en el proyecto PAE 36985 "Producción, purificación y aplicaciones del hidrógeno como combustible y vector de energía", dentro del subproyecto "Celdas de Combustible", en el desarrollo de nuevas membranas ionoméricas (alcalinas y protónicas) y de nuevos catalizadores mesoestructurados de base platino.
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