Servicios

Clúster de investigación

Investigación en producción y uso de micro y nanomateriales

La producción, estudio y uso de nanomateriales constituyen un área de investigación cuya implementación representa uno de los mayores avances tecnológicos y científicos de nuestro tiempo. La nanotecnología busca modificar las principales propiedades de la materia a nivel atómico, de forma tal que sean aprovechables tecnológicamente. La investigación en nanotecnología abarca un amplio rango de disciplinas, desde la medición, entendimiento y modelamiento de las principales propiedades físicas, químicas y biológicas a nivel atómico, hasta el uso de estas en el campo de las aplicaciones tecnológicas.

Lo anterior se ve reflejado en la diversidad de grupos de diferentes disciplinas alrededor del mundo encaminados al estudio, producción y uso de nanomateriales. Uno de los objetivos esenciales para un adecuado desarrollo de la investigación en nanotecnología es la integración del conocimiento proveniente de diferentes disciplinas, que conlleve a la manipulación y uso integral de las propiedades de los materiales.

Este macroproyecto plantea el desarrollo de actividades de investigación interdisciplinares desde la iniciativa de diferentes grupos de investigación de la Universidad Central interesados en el estudio, producción y uso de nano materiales, de forma tal que puedan incorporar a futuro otros actores tanto institucionales como externos a nivel nacional e internacional.

Investigación en producción y uso de micro y nanomateriales

Objetivo general

Estudiar el diseño, producción, caracterización, y uso de materiales a nivel micro y nanométrico por medio de diferentes técnicas experimentales que conlleven a la convergencia interdisciplinar de diferentes grupos de investigación con objetivos comunes.


Tecnologías convergentes

El presente macroproyecto se desarrolla en el marco del proyecto “Clúster de Investigación en Ciencia y Tecnologías Convergentes” por su carácter integrador de las ciencias básicas y la aplicación tecnológica. Los componentes asociados al macroproyecto son coherentes con la experiencia e intereses de los investigadores y con el perfil y líneas de investigación de los grupos involucrados:

  • Componente biotecnológico. Se plantea el desarrollo de actividades de investigación a partir de la recolección de datos y el estudio de nuevas especies para el aprovechamiento de sistemas microbiológicos.
  • Componente de tecnología y ciencias de la información. A partir de la adquisición, modelado y articulación de información de los sistemas biológicos o nanoparticulados, se plantea obtener correlaciones que aporten al conocimiento de los sistemas y permitan plantear procesos de aprovechamiento.
  • Componente nano. Se plantea realizar investigación de la síntesis de nano partículas, incluyendo procesos biotecnológicos y obtención de materiales de estructura a esta misma escala.
Biología y biotecnología de las microalgas

El estudio de los mecanismos fisiológicos que naturalmente utilizan las micro algas puede tener aplicaciones muy diversas, por ejemplo, la fijación de elementos no disponibles para la mayoría de organismos y que ellas logran incorporar a sus biomoléculas, permitiendo así que estos elementos queden en formas químicas disponibles para plantas y animales, que de otra manera no podrían obtenerlo. Estos resultados pueden servir como insumo principal en áreas relacionadas con producción agrícola limpia y con procesos de bioremediación, que minimicen el impacto ambiental que tienen estas prácticas tradicionalmente.

Adicionalmente, comprender la dinámica de las estructuras micro y nanoscópicas podría ayudar a dilucidar los mecanismos mediante los cuales las microalgas llevan a cabo estos procesos, para así poder optimizar su producción y aprovechamiento de manera controlada en el laboratorio.

Nanotecnología

La nanotecnología es el estudio acerca de la síntesis, caracterización, exploración y aplicación de materiales a escala nano. Los nanomateriales tienen propiedades morfológicas más pequeñas que un micrómetro en al menos una dimensión, sin embargo no hay consenso sobre el tamaño mínimo o máximo de un nanomaterial. Los nanomateriales se clasifican según estén basados en carbono, basados en metales, dendrímeros y compuestos.

La nanotecnología es actualmente una de las áreas más prometedoras en el campo de la nanociencia y la tecnología. Los nanomateriales son aplicables en los sectores farmacéutico, médico, energético y en tecnologías de información, y contribuye a la solución de problemas ambientales, entre otros.

Los recientes avances en nanotecnología han dado lugar al crecimiento de la industria e investigación en la síntesis de nanomateriales, principalmente relacionada con la ampliación de los campos de aplicación y la generación de nuevas necesidades y expectativas en los productos desarrollados, considerando que las nanopartículas son las unidades que constituirán una nueva generación de electrónica, optoelectrónica y tecnología de sensores.

Síntesis de nanopartículas

La síntesis de nanopartículas a partir de métodos fisicoquímicos ha sido ampliamente estudiada, sin embargo algunos de los métodos son costosos, complejos o producen residuos contaminantes. La necesidad de producir materiales limpios, no tóxicos y ambientalmente amigables ha llevado a investigadores a usar sistemas biológicos para la síntesis de nanopartículas.

La nanotecnología verde cumple con los principios de la “química verde” originalmente definidos por Paul Anastas y John Warner en 1998: prevenir la creación de residuos, diseñar productos y compuestos seguros, diseñar síntesis químicas menos peligrosas, usar materias primas renovables, usar catalizadores, evitar derivados químicos, maximizar la economía atómica, usar disolventes y condiciones de reacciones seguras, incrementar la eficiencia energética, diseñar productos biodegradables, analizar en tiempo real los procesos químicos para evitar la contaminación y minimizar los riesgos de accidentes.

Hoy en día la síntesis verde de nanopartículas ha surgido como un área de investigación activa ya que utiliza solventes no tóxicos, sistemas y extractos biológicos, y por su compatibilidad con aplicaciones biomédicas y farmacéuticas . La síntesis de nanopartículas metálicas con morfología definida tiene un gran interés debido a que por las diferencias en las propiedades pueden tener diferentes aplicaciones.

Caracterización de nanomateriales

El desarrollo de la nanotecnología está ligado a los avances tecnológicos encaminados a la identificación y caracterización de productos nano-micrométricos. Es importante aclarar que la caracterización y manipulación de materiales a escala nanométrica no solo requiere extrema sensibilidad y exactitud, sino también condiciones propicias para poder obtener resoluciones a tamaño molecular. Las técnicas principales usadas para la identificación y caracterización de nanomateriales son:

  • Difracción de rayos X
  • SEM (Microscopia Electrónica de Barrido)
  • TEM (Microscopia Electrónica de Transmisión)
  • AFM (Microscopia de Fuerza Atómica)
  • STM (Microscopía de Efecto Túnel)
  • Espectroscopia de infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR)
  • Espectroscopia UV-Vis
Modelado y simulación

El proceso de modelado en los sistemas físicos es una tarea que busca minimizar los elementos y procesos que se sabe afectan poco la evolución del sistema en estudio, además busca magnificar los comportamientos que se espera observar. Para ello hace uso de la aproximación y la estimación con fundamento teórico y experimental.

A pesar de este modelado, en la mayoría de los casos estos modelos quedan formulados en términos de estructuras matemáticas que son complejas de evaluar, por tal razón es necesaria la simulación computacional. En este sentido las simulaciones por ordenador juegan un papel importante en el aumento de la producción de conocimiento de diversos sistemas físicos, lo que se alcanza al combinarlas con tratamientos teóricos y técnicas experimentales.

En la actualidad, la metodología de investigación se puede representar mediante un esquema triangular donde en cada vértice está una manera particular de ver físicamente la naturaleza; la física teórica se encuentra en uno de sus vértices, la física experimental en otro y en el tercero la física computacional. Estas estructuras de investigación intercambian resultados e ideas entre ellos, utilizando diversos lenguajes y técnicas. Desde la física computacional hay dos técnicas de cómputo de interés en el campo de las nanopartículas: el método de Montecarlo y la dinámica molecular, los cuales servirán de apoyo en el desarrollo de este proyecto.

Este subproyecto aporta el componente de ciencia básica que permitirá el aislamiento, identificación, cultivo y protocolos de manipulación de diferentes especies de microalgas que podrían ser de interés para la producción de nanomateriales, con lo cual se contribuiría a alcanzar el objetivo general del Macroproyecto de investigación en producción y uso de micro y nano materiales. Las especies nativas que se logren colectar pueden presentar producciones de metabolitos distintos, ya sea por su condición genética particular, o por las condiciones de cultivo que pueden ser modificadas para mejorar su expresión en los microorganismos colectados.

El uso de tecnologías limpias para la síntesis de nanopartículas es importante para incrementar el uso de éstas en aplicaciones biológicas, como la biología médica, la administración de fármacos, los biosensores, los agentes antibacteriales, la catálisis, entre otras. Muchos organismos como bacterias, hongos, plantas y microalgas, han sido usados en la síntesis verde de nanopartículas con tamaño, forma y concentración definidos. En este proyecto se plantea la evaluación de metodologías para la biosíntesis de nanopartículas metálicas y su posterior aplicación en películas delgadas híbridas.

Este proyecto se ocupa de la aplicación de modelos que describan los procesos de agregación de suspensiones acuosas de microalgas por acción de un campo eléctrico.

Aplicación de modelos que describan los procesos de agregación de suspensiones acuosas de micro algas por acción de un campo eléctrico.

Con el propósito de determinar el potencial de las cianobacterias como elemento actuador, elemento sensor o constructor de nano-micro actuadores y sensores, se realizará una caracterización de las mismas ante estímulos físicos. El proyecto se divide en tres grandes etapas: formulación de posibles experimentos y requerimientos de la instrumentación electrónica; diseño de la instrumentación electrónica necesaria para realizar el estímulo y facilitar la obtención de datos que permitan correlacionar los diferentes comportamientos físicos; y, realización de experimentos y correlación de la información obtenida.

El primer objetivo de esta etapa, una vez obtenidas las nanopartículas por diferentes métodos de sinterización, es la comparación de sus principales propiedades. Esta comparación permitirá evaluar la influencia del tipo de sinterizado sobre la estructura cristalina de la nanopartícula, así como las diferentes propiedades electrónicas que pueden emerger a partir de los cambios cristalinos.

Para llevar a cabo dicho objetivo es necesario combinar diferentes técnicas experimentales, como por ejemplo: difracción de rayos X, la cual proporciona información acerca del tipo de estructura cristalina obtenida en cada caso; microscopia de fuerza atómica (AFM), que permite determinar por medio de imágenes de topografía la distribución y cantidad de nanopartículas obtenidas; y microscopía de efecto túnel (STM), que permite visualizar directamente la estructura cristalina de las nanopartículas individualmente junto a sus características electrónicas. Esta última técnica permite además la manipulación de las nanopartículas, para que se puedan construir redes de nanopartículas de diferentes tipos, las cuales pueden dar como resultado cambios en las propiedades globales de la red.

En base a los resultados obtenidos en la etapa de caracterización y comparación, se evaluará el posible uso de dichas nanopartículas en la fabricación de nanodispositivos electrónicos. En esta etapa se usará la posibilidad de manipular y modificar las redes de nanopartículas por medio de microscopios de sonda de barrido (STM y AFM), para construir nanoestructuras cuyas propiedades de transporte y almacenamiento eléctrico puedan imitar las funciones de dispositivos electrónicos macroscópicos.

Con este proyecto se propone el uso de sistemas biológicos como elemento actuador, elemento sensor o constructor de nano-micro actuadores y sensores.

Dependiendo del tamaño y de la geometría obtenida de cada nanopartícula después de su proceso de síntesis o su modificación superficial siguiendo procesos físicos o químicos, se pueden apreciar propiedades significativamente diferentes a las que presenta el material a una escala macro. Dependiendo de las modificaciones realizadas las nanopartículas pueden presentar múltiples aplicaciones en catálisis, liberación controlada de medicamentos, bio-sensado, orientar el crecimiento de otras nanoestructuras y potenciar sus usos en aplicaciones tecnológicas.

Participan los siguientes grupos de investigación:

  • Grupo de Procesos & Soluciones energéticas (GP&SE) - Categoría C en Colciencias
    • Aida Wilches. Bióloga
    • Ángela Navas. Bióloga
    • María Eugenia González. Ingeniera Química
    • Ana Patricia Rozo. Química
  • Grupo de investigación en Bioingeniería (UCIB) - Categoría C en Colciencias
    • Oscar Herrera Sandoval. Ingeniero Electrónico
  • Grupo Física y Matemáticas - Categoría C en Colciencias
    • Paco Talero. Físico
  • Grupo en Automatización y Robótica (GIAR)
    • Gregory Conde. Ingeniero Electrónico

Algunos grupos de investigación que realizan investigación en esta área, participaron en el IV Encuentro Colombiano de Micro y Nanotecnología en Bogotá (2013), vinculados a las siguientes instituciones:

  • Universidad Nacional de Colombia
  • Pontificia Universidad Javeriana
  • Universidad Jorge Tadeo Lozano
  • Universidad de los Andes
  • Universidad Libre

Los contactos y alianzas estratégicas con estos grupos se consideran en el desarrollo de actividades de investigación y divulgación.

Redes de conocimiento especializado:

Última actualización: 2018-09-19 09:33