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Introducción
La Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP) cuenta con 161 programas educativos, divididos en distintas Divisiones de Estudios Superiores (DES) como son las de Ciencias Sociales y Económico-Administrativas, Ciencias Exactas, Ciencias Naturales, Ingeniería y Tecnología, Ciencias de la Salud, y, Educación y Humanidades
El Instituto de Ciencias de la BUAP, la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, la Facultad de Ingeniería Química, el Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”, la Facultad de Ingeniería, la Facultad de Ciencias Químicas y la Facultad de Ciencias de la Electrónica realizan investigación básica o aplicada en áreas relacionadas con la nanociencia o la nanotecnología, destacándose la participación de los cuerpos académicos (CA) registrados ante el PRODEP de la Secretaría de Educación Pública en:
Polímeros.
Semiconductores nanoestructurados y orgánicos.
Materiales nanoestructurados avanzados y sus aplicaciones.
Física de materiales.
Ingeniería de los procesos químicos y remediación ambiental.
Operaciones y procesos en alimentos.
Desarrollo de materiales y procesos químicos.
Materiales fotoactivos.
Física aplicada.
Física de superficies e interfaces/materiales fotovoltaicos.
Materiales complejos inteligentes y nanoestructurados.
Materiales avanzados.
Materiales fotocatalíticos y fotoconductivos.
Física computacional de la materia condensada.
Propiedades mecánicas y electrónicas de materiales.
En la BUAP participan 75 investigadores de los distintos cuerpos académicos mencionados, los cuales llevan a cabo investigaciones o desarrollos tecnológicos en áreas relacionadas con las nanociencias o con la nanotecnología.
Investigación en nanotecnología de la BUAP
Los proyectos de investigación relacionados con las nanociencias se han cultivado desde la fundación en el año de 1950 de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas. Para 1972 un grupo de académicos, la mayoría docentes de esta escuela, decide formar un grupo de investigación en el área de Física de bajas temperaturas; y un poco tiempo después, es fundado el Instituto de Ciencias de la Universidad Autónoma de Puebla (ICUAP) crisol de los grupos de investigación en las diversas áreas del conocimiento.
El ICUAP es la unidad académica más añeja en labores de investigación en el campo; fundada desde 1974, con la finalidad de reorganizar, coordinar y promover de manera sistemática la investigación científica y hacer más eficientes los recursos con los que contaba en aquel momento la universidad. Es importante mencionar que al crearse el ICUAP, se logra aglutinar a muchos investigadores dispersos en distintas escuelas y facultades universitarias permitiendo reunir sus esfuerzos, sistematizar sus investigaciones, lo cual constituyó un parteaguas para la investigación al seno de la universidad.
El ICUAP tiene injerencia directa en actividades relacionadas con las nanociencias, en las siguientes dependencias:
Departamento de Semiconductores (DS).
Departamento de Química: Área de Ingeniería Química (DIQ)
Departamento de Fisicoquímica (DFQ)
Departamento de Fisicoquímica de Materiales (DFQM)
Centro de Investigación en Dispositivos Semiconductores (CIDS)
Centro de Química (CQ)
Departamento de Investigación en Zeolitas (DIZ)
En la BUAP las actividades de investigación se han detonado en las últimas décadas al punto de que, en la actualidad, no existe una escuela, facultad o instituto en donde no se registren actividades de investigación, contamos con un padrón institucional de 822 investigadores, de los cuales 542 pertenecen al Sistema Nacional de Investigadores, siendo líderes (niveles 2 y 3), uno de cada cuatro de los miembros del Sistema Nacional de Investigadores.
Líneas de investigación en nanociencias y nanotecnología
Diversas líneas de investigación en estas áreas son desarrolladas por investigadores de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, a continuación, tenemos una lista de proyectos llevados a cabo en el 2016:
Propiedades físicas de sistemas aperiódicos
Propiedades físicas ópticas, acústicas, de transporte de electrones etc. de sistemas aperiódicos. Respuesta óptica de cristales fotónicos deterministas aperiódicos unidimensionales y localización de radiación electromagnética (Saldaña et al., 2009).
Estudios de primeros principios de las propiedades de superficies y nanoestructuras semiconductoras
Estudios de las propiedades estructurales, electrónicas y ópticas de semiconductores compuestos. Formación de nanoestructuras en superficies semiconductoras y la formación de nanoestructuras de semiconductores. También se exploran monocapas, nanoalambres y nanotubos, y su interacción con moléculas orgánicas (Galicia et al., 2012).
Semiconductores nanoestructurados sobre plantillas de materiales porosos para celdas solares y materiales funcionales
Por electrodeposición se desarrollan: 1) nanoestructuras semiconductoras, basadas en CuInSe2, se busca modular su ancho de banda para un mejor aprovechamiento del espectro solar para su aplicación en celdas solares; nanoestructuras como amplificadores ópticos basados en matrices dieléctricas activados mediante dopado con lantánidos (De la Luz-Merino et al., 2015).
Estudio de materiales fotoactivos basados en silicio y sulfuros metálicos, y desarrollo de electrodos para baterías de litio
Fabricación y estudio de micro y nanoestructuras de silicio preparadas por combinaciones de grabado, para ser utilizadas como ánodos de alta capacidad de baterías de ion litio. Los ánodos obtenidos presentan capacidades más de 10 veces superiores a los ánodos convencionales Quiroga-González et al., 2013).
Síntesis de las nanopartículas de CuSbS2 y desarrollo de las películas delgadas a partir de su tinta/pasta para aplicaciones en celdas fotovoltaicas
Se aborda el procesamiento de celdas solares del tipo CdS/CuSbS2 desarrollando técnicas de depósito de películas delgadas que garanticen la obtención de celdas con valores de alta eficiencia y adecuados para la escala industrial (Yang et al., 2014).
Síntesis y caracterización de nanomateriales
Síntesis y caracterización de nanoestructuras con componentes metálicos, dieléctricos y semiconductores; para aplicaciones ambientales, de biosensado y distribución de fármacos (Castillo et al., 2014).
Modelado de las propiedades ópticas de sistemas a nanoescala
Estudios teóricos y numéricos de las propiedades plasmónicas de sistemas a nano escala y fenómenos relacionados (resonancia de plasmones, SERS, campo cercano y otros). Determinación de la reflectancia y transmitancia de monocapas con arreglos periódicos de nanoestructuras (González et al., 2007).
Cambios estructurales asociados a factores ambientales en celdas solares basadas en peroskitas de plomo-haluros y dióxido de titanio sensibilizado por tintes
Se estudian los cambios en la estructura local para celdas solares basadas en perosvkitas de plomo-haluros (PSC) y TiO2 sensibilizado por tintes (DSSC) debido a su exposición a factores ambientales (como humedad o vapor de agua) y el efecto en sus propiedades fotovoltaicas utilizando herramientas experimentales y teóricas, de esta forma proveer de un modelo que represente la cinética de portadores de carga en celdas solares DSSC y PSC (Villanueva-Cab et al., 2016).
Propagación de ondas en medios periódicos: cristales electrónicos, fotónicos y fonónicos
Se estudia la propagación de ondas electrónicas, electromagnéticas y elásticas en sistemas periódicos. Los cristales electrónicos se analizan usando métodos de primeros principios y semiempíricos. En el caso de los cristales fotónicos y fonónicos el estudio se realiza desde el punto de vista teórico y experimental. También se desarrollan teorías de homogeneización para estos últimos sistemas.
Fabricación y caracterización de novedosas matrices luminiscentes basadas en el ternario CdO-Cu-V2O5
Elaboración de materiales en matrices con propiedades luminiscentes novedosas y sus aplicaciones en distintos campos incluyendo el industrial (Lozada-Morales et al., 2012).
Estudio de plasmones asociados a nanopartículas en cristales fonónicos
Creación de nanopartículas en cristales fonónicos con características de plasmones para distintas aplicaciones e innovaciones (Ramos-Mendieta et al., 2014).
Síntesis y caracterización de materiales híbridos orgánico-inorgánico. Materiales óxidos en masa (volumen) y en película delgada crecidos mediante sol-gel
Se lleva a cabo síntesis de nanopartículas metálicas como dopantes para los diversos tipos de materiales híbridos orgánico-inorgánico (Zou et al., 2014).
Síntesis y caracterización de nanopartículas cerámicas
Síntesis y caracterización de nanopartículas cerámicas (ZnO, hidroxiapatita, grafeno, titania, etc) con morfología controlada a través de rutas como sol-gel, precipitación hidrotermal asistido por microondas. Las aplicaciones se centran principalmente en fotocatálisis, liberación controlada de fármacos y obtención de recubrimientos polímero-cerámica de matriz polimérica con propiedades antibacteriales, anticorrosivas y resistentes al desgaste (González-Rivera et al., 2016; Reyes-Cervantes et al., 2016).
Diseño de materiales compósitos nanoestructurados con porosidad controlada para aplicaciones medioambientales
Estudio teórico-computacional de nanoestructuras, se estudian las propiedades electrónicas y estructurales de nanoestructuras principalmente en dos dimensiones, con el fin de investigar su posible aplicación en la adsorción de moléculas y para la deliberación controlada de fármacos (Chigo-Anota et al., 2015).
Síntesis, caracterización y evaluación de TiO2 dopado con nanopartículas de plata para la degradación de azul de metileno
Descripción: Se realiza la síntesis de nanopartículas metálicas empleando copolímeros tribloque, además de la biosíntesis de nanopartículas metálicas y se lleva a cabo su caracterización estructural y reológica (Tepale et al., 2016).
Obtención de materiales funcionales avanzados nanoestructurados para el desarrollo de aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos, en procesos catalíticos y en generación de energía
Obtención de energía por métodos alternativos a los tradicionales y coadyuvar en la remediación del medio ambiente mediante procesos fotocatíticos, todo ello utilizando semiconductores y materiales nanoestructurados híbridos funcionalizados o sin funcionalizar (Ha Thi Vuet al., 2012).
Fabricación de películas de alúmina porosa anodizada para aplicación como sustratos de crecimiento de nanotubos de carbono
Se obtienen poros muy ordenados en alúmina porosa anodizada para utilizarlos en la fabricación de nanotubos de carbono. Se realiza un estudio sistemático de los parámetros de fabricación de la alúmina porosa. Se utilizará el níquel como catalizador depositado también por anodización (Nazemi et al., 2014).
Investigación de los efectos de la radiación en las propiedades fotoeléctricas y fotovoltaicas de nanoestructuras de óxidos semiconductores
Estudiar experimentalmente los efectos de la radiación electromagnética sobre las propiedades de conducción en nanoestructuras de óxidos semiconductores. El método de obtención de los materiales será por spray pirolisis (Luna López et al., 2014).
Uso de la sonoquímica para la preparación de nanomateriales: TiO2 y ZnO
Este proyecto se enfoca a preparar estos materiales nanométricos principalmente óxidos metálicos semiconductores, usando un procesador ultrasónico con el objetivo de estudiar sus propiedades para su aplicación en el área ambiental y de la salud (Pokhrel et al., 2016).
La creación de un centro multidisciplinario en nanociencias
Un objetivo a lograr a más tardar en el 2017 es la creación de un centro que aglutine los esfuerzos antes expuestos, permita compartir los equipos con que se cuenta y, sobre todo, crear proyectos de alta envergadura para poder acceder a equipos de vanguardia que permitan consolidar lo hecho hasta ahora y aspirar a mejorar en las publicaciones en revistas internacionales, arbitradas e indexadas, obtención de patentes y licenciamientos y a la formación de recursos humanos con una formación sólida y con un gran impacto en el corto plazo en la innovación.
Colaboraciones
Los distintos cuerpos académicos que participan en los proyectos de nanociencias tienen distintos convenios de colaboración con Instituciones e investigadores tanto nacionales como internacionales destacándose los siguientes:
El Instituto de Ciencias de la BUAP mantiene convenios de colaboración con el Centro de Investigación en Materiales Avanzados, Monterrey, Nuevo León; con el Centro de Investigación en óptica de León, Guanajuato; Centro de Investigación en Química Aplicada en Saltillo, Coahuila; con la Universidad Autónoma de San Luis Potosí; con la Universidad de McGill, Canadá; con la Universidad Carlos III de Madrid, España; y con la Universidad Industrial de Santander, en Bucaramanga, Colombia.
La Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas con la Universidad de Sonora; CINVESTAV del IPN de la ciudad de México; con el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) en Juriquilla, Querétaro; con el Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM; con el Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada (CICATA) de la UNAM campus Querétaro; y con el Instituto de Física de la UNAM.
El Centro Universitario de Vinculación y Transferencia de Tecnología mantiene colaboraciones con el Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada (CFATA) de la UNAM; con la Universidad de Guanajuato; con el Instituto de Investigaciones Nucleares (ININ); con el CINVESTAV campus Querétaro; con la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo; y con el Instituto Tecnológico de Zacatepec, Morelos.
La Facultad de Ingeniería Química tiene relaciones de colaboración con el Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo tecnológico (CCADET) de la UNAM; con el Instituto de Geofísica de la UNAM; con la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE) del Instituto Politécnico Nacional; con el Instituto Tecnológico de Puebla; con el Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos Valencia, España; con la Universidad de Guadalajara; Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM, en su campus Ensenada, Baja California.
El Instituto de Física “Luis Rivera Terrazas” tiene proyectos de colabo ración con la Universidad Politécnica de Valencia, España; con la Escuela Superior de Físico-Matemáticas del Instituto Politécnico Nacional; con el CINVESTAV del Instituto Politécnico Nacional, campus Zacatenco, Ciudad de México; con la Universidad de Delaware Estados Unidos de América; con la Universidad Politécnica de Valencia, España; con la Universidad Autónoma de San Luis Potosí; con la Universidad de California en San Diego, Estados Unidos de América; con la Universidad Politécnica de Madrid, España, con el Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas (CIICAP), con la Universidad Autónoma de Morelos; con Sogang, Universidad de Seúl, Corea del Sur; con el Instituto de Tecnología de la India, Roorkee, India; con el Departamento de Investigación en Física de la Universidad de Sonora; con la Universidad de las Américas-Puebla (UDLA-P); con el CINVESTAV campus Mérida, Yucatán; con el Instituto de Energías Renovables de la UNAM, campus Temixco, Estado de México; con el Departamento de Química, de la Universidad de Seúl, Corea del Sur; con la Universidad de Kiel, Alemania, con la Universidad Autónoma de Nuevo León; con la Universidad Autónoma de San Luis Potosí; con el Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid; con el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, España; con la Universidad del Norte de Texas, Denton Estados Unidos de América; con el Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México; con la Universidad Autónoma de Campeche; con la Universidad Autónoma de Coahuila; y con la Universidad de Saarland en Saarbruecken, Alemania.
La Facultad de Ingeniería tiene convenios de colaboración con la Universidad de Virginia del Este en los Estados Unidos de América. Mientras que la Facultad de Ciencias Químicas colabora con la Universidad Autónoma Metropolitana campus Iztapalapa y campus Xochimilco; con el Instituto de Investigaciones Nucleares; con el Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México; y con el Instituto Mexicano del Petróleo.
Infraestructura
Las distintas unidades académicas de la BUAP cuentan con equipamiento que permite desarrollar tareas de investigación de vanguardia, el siguiente es un listado de los equipos más importantes y su ubicación.
Instituto de Ciencias
Equipo de ultravioleta Cary 300 con accesorios para muestras sólidas, en solución, en película y a temperaturas variables.
Equipo de cromatografía líquida de alta presión con fluidos super-críticos con columna quiral y detección por ultravioleta y espectrómetro de masas.
Equipo de absorción atómica con generador de plasma.
Equipo de resistividad de cuatro puntas marca Jandel.
Equipo de impedancia para determinación de constante dieléctrica.
Equipo de cromatografía de permeación en gel con bomba de alto rendimiento 515 marca Waters.
Detector de dispersión de luz multi-ángulo de ocho ángulos, DAWN Heleos de marca Wyatt .
Detector de índice de refracción OptilabrEX de marca Wyatt.
Detector en línea de viscosidad ViscoStar marca Wyatt.
Potenciostato PGSTAT Modelo 128 N con módulo FRA32M para mediciones de impedancia, marca Metrohm.
Turbidímetro 2100p marca Hach.
Aparato para prueba de jarras de seis paletas marca Hach.
Potenciómetro automático marca Titrino Metro.
Microscopio de fuerza atómica Nanosurf easyScan 2 AFM.
Microscopios ópticos marca Roscope y Motic.
Espectrofotómetro ultravioleta OceanOptics SD 2000 con esfera integradora para fluorescencia.
Sistema de evaporación con alto vacío marca Edwards.
Espectrofotómetro de ultravioleta visible marca Varian.
Dos rotavapores marca Heildoph.
Secadora con vacío marca SEV.
Bomba de vacío rotatoria marca Shimatzu.
Viscosímetro marca Brookfield.
Microscopio estereoscópico marca MY con cámara ZENIT 122.
Mantas de calentamiento con agitación magnética marca SEV para matraces.
Manifold para atmósfera inerte/vacío con cuatro puertos marca SEV.
Destilador para reciclado de solventes con capacidad de cuatro litros, marca SEV.
Aparato de punto de fusión marca Electrothermal.
Baño ultrasónico marca Fisher Scientific.
Recirculadores para refrigeración, marca SEV.
Difractómetro de rayos X marca Bruker.
Chiller
Programas de medición; XRD Commander, XRD Wizard, D8 Tools, D8 Doctor.
Programas de evaluación; Diffrac plus Basic, Eva, PDFmaint, Dquant, Leptos
Base de Datos PDF2
Base de Datos PDF-4+
Láseres rojo, azul con seis líneas, violeta a 405 nm, ultravioleta de He-Cd de 325 nm.
Detectores: InGaAs, PbS/Si, Si.
Monocromador de medio metro.
Este equipo permite observar morfologías con una magnificación de hasta 1 000 000X con una resolución de menos de 1nm. Laboratorio de análisis de superficies.
Responsable: Dr. Rutilo Silva, Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”.
Figura 1 Equipo de emisión de campo y microscopía electrónica de barrido (Field Emission-Scanning Electron Microscopy (FE-SEM), Marca Jeol, modelo JSM-7800F.
Con este equipo se pueden realizar experimentos en modo reflexión o transmisión el cual se ubica en el Laboratorio de Difracción de Rayos X del Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”.
Responsables: Dra. Ma. Eugenia Mendoza, Ing. Leonel San Román.
Figura 2 Equipo de difracción de rayos X con radiación de cobre (Cu), marca Panalytical modelo Empyrean.
Éste es un equipo de fluorescencia con una resolución temporal alta, y con barridos desde 180 hasta 1,200 nm. Medida de tiempos de vida en el orden de nanosegundos. Laboratorio de fluorescencia resuelta en tiempo.
Responsable: Dr. Antonio Méndez Blas, Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”.
Figura 3 Equipo Nanolog Horiba JOBIN YVON.
Facultad de Ingeniería Química
Electrospinning e infraestructura para su caracterización física y química.
Espectrofotómetro ultravioleta-VIS, reómetro rotacional.
Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”
Microscopio electrónico de barrido de alta resolución, espectrofotómetro ultravioleta y visible, fotoluminiscencia, micro Raman.
Dos sistemas de electrodepósito completos e independientes.
Baño químico para reacciones químicas de precipitación.
Sistema de anodización electroquímica para Al2O3.
Sistema de Spray Pyrolysis.
Sistema de Spin coating.
Sistema de procesamiento térmico rápido (RTP) para selenización y/o sulfurización.
Sistema de silicio poroso.
Horno tubular para procesamiento térmico de materiales con Ar, O2, N2.
Mesa óptica.
Láser ultravioleta para grabado holográfico.
Sistema de crecimiento de nanomateriales que tiene: hornos, reactores, autoclaves, sistema de espurreo r.f., horno de microondas, homogeneizador ultrasónico.
Equipos para caracterización de materiales que contiene: espectrómetro ultravioleta-Vis marca Shimadzu; análisis de textura por adsorcióndesorción Belsorp Mini-II; sistema de caracterización magnética y eléctrica PPMS Dynacool 9.
Espectrómetro Ultravioleta-Vis, marca Varian con accesorio de reluctancia difusa.
Microscopio electrónico de barrido JEOL.
Difractómetro de rayos-X Bruker modelo Discover D8.
Espectrofotómetro de fluorescencia, marca Varian.
Sistema de medidas de propiedades físicas marca Dyna Cool-9.
Muflas con programación de rampas de calentamiento.
Equipo dedicado a cómputo científico con ocho procesadores Intel-Xeon (104 núcleos) de 320 GB de memoria RAM y 884 GB de almacenamiento en disco; además de acceso al Laboratorio Nacional de Súpercomputo del Sureste con sede en la BUAP que tiene un clúster “txamula” con 28 procesadores Xeon (216 cores) y 800 GB en RAM distribuidos en 8 nodos.
Mini CVD, Sistema Schlenk, equipo de inmersión, espectroscopía Raman, espectroscopía ultravioleta-Vis-NIR, FE-SEM.
Perfilómetro con capacitancia-voltaje, y efecto Hall.
Equipo de depósito de capas delgadas de SiO2 por LPCVD.
Reactores para síntesis solvotermal.
Sistema de rocío pirolítico.
Sistema de fotolitografía.
Equipo de caracterización acústica; VNA, con transductores de 1.1 GHz.
Centro de cómputo donde se cuenta con un clúster y estaciones de trabajo.
Este equipo permite medir modos vibracionales, rotacionales u otros modos de baja frecuencia, para muestras en estado sólido (polvos, pastillas, cristales, etc.) o en solución. Cuenta con un láser de He-Ne en 632.8 nm de longitud de onda, objetivos de Microscopio Olympic a 10x, 50x y 100x, así como con una platina automatizada para realizar muestreos.
Responsable: M. en C. Laura Serrano, Laboratorio Central.
Figura 5 Equipo de Micro Raman marca Horiba, modelo LabRAM HR.
Conclusiones
El área de las nanociencias y nanotecnolgía en la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla es un eje fundamental para el desarrollo de la ciencia básica para las nanociencias y sus aplicaciones. Su desarrollo y fortalecimiento es una prioridad dado que somos parte del clúster automotriz de la meseta central de México y con opciones de ampliación a la industria aeroespacial, mecatrónica, moletrónica y automatización. El arribo de Audi a San José Chiapa ha ampliado nuestra influencia a las cercanías de los estados de Tlaxcala e Hidalgo lo que seguramente potenciará el desarrollo en las nanociencias. La creación de un centro multidisciplinario en nanotecnología por parte de la Vicerrectoría de Investigación y Estudios de Posgrado permitirá reunir esfuerzos de los investigadores, consolidar los posgrados existentes y la creación de nuevos, y lo más importante es que acercará a la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla al sector industrial y sobre todo lograr que los empresarios vean en la ciencia, en particular la nanotecnología, una opción viable para la resolución de sus problemas y desarrollo de materiales a escala nanométrica y con alto valor agregado.
