Materiales al día – Novedades en Ingeniería de Materiales

MOOCs: ¡aprovecha los cursos gratuitos más atractivos!

En los últimos dos años se ha producido un desarrollo acelerado de cursos muy atractivos y con materiales extraordinariamente bien elaborados. Estos cursos de aprendizaje a distancia son gratuitos y permiten además obtener un certificado de su realización. El nombre que se les ha dado en inglés es Massive Open Online Courses (MOOCs).

Tres plataformas destacan por la cantidad y excelente calidad de los cursos propuestos: Udacity, edX, Coursera. Udacity propone de momento los sugestivos cursos sobre informática, programación, matemáticas o física; edX se nutre directamente de materiales didácticos elaborados en las grandes universidades de EE.UU., y en Coursera la cantidad de cursos ofrecidos es aún mayor. Además, muchos cursos no requieren conocimientos previos o pueden adquirirse en otros de los cursos disponibles. Se pueden encontrar cursos en todos los campos.

Página principal de la plataforma Udacity.

No comentaremos aquí las motivaciones de los creadores de estas plataformas ni la evolución que han tenido. A cambio, puesto que los cursos constituyen una posibilidad útil y muy agradable, queremos animar a nuestros lectores que tengan la inquietud de aprender sobre un tema específico que aún no conocen para que la aprovechen.

Algo que aún no hemos mencionado: estas grandes plataformas proponen sus cursos en inglés, de modo que permiten además reforzar el conocimiento de la lengua más internacional. Aún así, también hay plataformas que proponen materiales docentes en otros idiomas, incluido el nuestro, pero por lo que conocemos y en nuestra opinión aún no han alcanzado el desarrollo de las principales plataformas mencionadas.

La película más pequeña

Todos hemos visto películas de animación hechas con figuras de plastilina. Las figuras son modificadas entre cada dos fotogramas, de modo que la animación aparece ante nuestros ojos al ver la secuencia de fotogramas.

¿Cual podría ser la forma de obtener las figuras más pequeñas para realizar una película de animación? Pues bien, investigadores del gigante informático IBM han sido capaces de realizar figuras formadas por unos cuantos átomos. El resultado es el que muestra el siguiente vídeo.

También han realizado un segundo vídeo (en inglés) explicando cómo realizaron el trabajo, que consistía básicamente en mover moléculas individuales de monóxido de carbono con una aguja diminuta y obtener imágenes mediante microscopía de electo túnel (manipulaciones similares se hacen también con los más conocidos microscopios de fuerza atómica), a -268 ºC. Les proponemos a los lectores del blog que disfruten con él.

Un nuevo material para producir hidrógeno, agua potable e incluso suministrar energía

 Por Á. Ridruejo (Universidad Politécnica de Madrid)

Según una noticia recogida recientemente en la revista Science Daily, una versión nanoestructurada del dióxido de titanio (TiO₂) es capaz de desalar agua si se utiliza en membranas semipermeables y de contribuir a recuperar energía a partir de la salmuera desechada en el proceso. También puede duplicar la duración de las baterías de ion litio e incluso usarse como agente bactericida en nuevos vendajes.

El dióxido de titanio es un material abundante, conocido y profusamente utilizado en la industria. Sin ir más lejos, es el pigmento más común que se añade a cualquier esmalte o pintura cuando queremos obtener el color blanco, y está presente en casi todas las cremas de protección solar. Presenta interesantes propiedades químicas, entre ellas, que acelera ciertas reacciones químicas y que se enlaza fácilmente con moléculas de agua. La novedad, desarrollada por el equipo del profesor Darren Sun en la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur), consiste en insertar los cristales de dióxido de titanio en nanofibras. A su vez, estas  nanofibras son las que se procesan para obtener membranas flexibles. Los responsables del equipo de investigación esperan además que las aplicaciones de las membranas de nanofibra con TiO₂ sean una gran ayuda para afrontar dos de los principales retos derivados de la superpoblación: la obtención de energía barata y el suministro de agua potable.

Imagen de microscopio electrónico de un grupo de nanofibras de dióxido de titanio obtenidas por el Laboratorio Nacional de Argonne (EE.UU.). Cada fibra es 10.000 veces más fina que un cabello humano.

El camino para llegar a esta conclusión no ha sido directo. En un principio, el equipo del profesor Sun comenzó a utilizar dióxido de titanio en membranas para resolver el problema del bioensuciamiento,  en el que el crecimiento de colonias bacterianas ocluye los poros de la membrana, lo que provoca la obstrucción del flujo de agua a su través. Durante esta investigación, se descubrió que el dióxido de titanio actuaba como fotocatalizador. En presencia de luz solar, una fracción del agua se descomponía en hidrógeno y oxígeno. Esta reacción también puede darse con platino como catalizador, pero el platino tiene un precio muy superior, y el rendimiento del TiO₂  (1,53 ml de H₂ por hora y litro de agua de desecho) parece ser tres veces superior. Según el profesor Sun, producir hidrógeno como subproducto de la desalinización del agua permite reducir su coste energético a prácticamente cero. Cualquier excedente podría además ser utilizado en células de combustible o quemado en centrales de ciclo combinado para obtener electricidad.

La naturaleza hidrofílica del dióxido de titanio tiene otra importante ventaja al incorporarse en membranas: el agua penetra en ellas con facilidad, a la vez que otros contaminantes, principalmente los de la sal, se ven repelidos. En estos momentos se trabaja en el desarrollo de una membrana de elevado flujo por ósmosis directa basada en este nuevo material.

Las propiedades antimicrobianas del TiO₂ también permiten anticipar su uso como vendaje antibacteriano para evitar infecciones en heridas abiertas.

El equipo de la Universidad Tecnológica de Nanyang también ha desarrollado un dióxido de titanio policristalino de color negro que permite fabricar celdas solares flexibles para la generación de electricidad. El dióxido negro tiene otra aplicación interesante en baterías de litio, puesto que, cuando nanopartículas de este material modificadas con carbono se usan como ánodo, la capacidad de la batería se duplica, lo que proporciona a las baterías una duración mucho mayor antes de descargarse completamente. Este resultado mereció la portada de uno de los números de la revista Journal of Materials Chemistry del año pasado.

El profesor Sun y su equipo no piensan desaprovechar la posible rentabilidad de un material tan prometedor. A la vez que profundizan en el desarrollo del material, están inmersos en la creación de una nueva empresa que comercialice el producto.

Referencia de la noticia:

Nanyang Technological University. “Multi-purpose wonder can generate hydrogen, produce clean water and even provide energy.” ScienceDaily, 23 Mar. 2013. Web. 20 Apr. 2013

Otras referencias científicas:

1. Lei Liu, Zhaoyang Liu, Hongwei Bai, Darren Delai Sun. Concurrent filtration and solar photocatalytic disinfection/degradation using high-performance Ag/TiO2 nanofiber membrane. Water Research, 2012; 46 (4): 1101
2. Ia Hong Pan, Xiwang Zhang, Alan J. Du, Hongwei Bai, Jiawei Ng, Darren Sun. A hierarchically assembled mesoporous ZnO hemisphere array and hollow microspheres for photocatalytic membrane water filtration. Physical Chemistry Chemical Physics, 2012; 14 (20): 7481

Desarrollo de dispositivos diminutos que permiten estudiar el cerebro

El mundo de la investigación está inmerso en una época de máxima atención al estudio del cerebro, cuyo funcionamiento es una de nuestras grandes incógnitas. La ciencia e ingeniería de materiales puede aportar nuevos materiales que ayudan a explorar la actividad neuronal.

El Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad de Illinois John Rogers lidera un grupo dedicado al desarrollo de materiales blandos para aplicaciones electrónicas y ópticas. Recientemente han desarrollado un dispositivo ultrafino y flexible para ser utilizado en estudios de cerebro, pues puede implantarse incluso en regiones profundas del tejido. Dicho dispositivo se describe en un artículo publicado en el último número de la revista Science, donde pueden consultarse los detalles.

El dispositivo incluye un microelectrodo, LEDs para producir una estimulación óptica, sensor óptico y sensor térmico. Tiene la forma de una cinta con un ancho de centenas de micras y espesor de decenas de micras. Siendo de materiales blandos y biocompatibles, puede implantarse en cerebros por ejemplo de ratones para estudios de laboratorio.

Los investigadores han demostrado la aplicación de su dispositivo en optogenética, un nuevo área en neurociencia que utiliza la luz para estimular los caminos neuronales deseados en el cerebro. Dicho procedimiento incluye la programación genética de neuronas específicas para responder a los estímulos luminosos. La optogenética permite a los investigadores investigar aisladamente funciones cerebrales precisas, algo que no sería posible con estimulación eléctrica, ya que ésta afecta a las neuronas de una región amplia, ni con biomoléculas, que afectan a todo el cerebro.

Gana tu propio Bosón de Higgs

No hemos podido resistirnos a poner un enlace a este post del CERN (“Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire”) en un día como hoy, 1 de Abril.

Win your own higgs boson

El Director de Investigación de dicho centro ha decidido sortear algunos Bosones de Higgs con motivo del gran entusiasmo creado por el descubrimiento de dicha partícula fundamental el 4 de julio de 2012.

¡Buena suerte a todos!    :o)

Materials week: la semana de los materiales

Los días 26, 29 y 30 de abril se celebra en la Ciudad Universitaria de Madrid la “Semana de los Materiales”, con numerosas actvidades: conferencias, debates, presentaciones de líneas de investigación y empresas, un Workshop on Nanomaterials and Nanotechnology, demostraciones, cursos, visitas, jornadas de puertas abiertas, concursos especializados de fotografía, innovación, video, talent show,… en español e inglés.

Estas actividades están dirigidas principalmente a estudiantes de distintas titulaciones, empresas, investigadores y docentes que dentro del CEI Moncloa tienen algún tipo de relación con el campo de los Materiales. No obstante, los organizadores esperan captar la atención de la sociedad en general, y de otras universidades, instituciones, y empresas del área de Madrid, en la que se concentra más del 30% de la investigación y tecnológica en Materiales de España.

Toda la información puede consultarse en el siguiente enlace:

http://www.campusmoncloa.es/es/eventos/materialsweek/

Sobre las pantallas de cristal líquido

Queríamos recoger en este blog el texto sobre aplicaciones de los cristales líquidos del Profesor José Manuel Otón (UPM), promotor del Centro de Materiales y Dispositivos Avanzados para Tecnologías de la Información y las Comunicaciones. En este atractivo texto, se analizan las apliaciones y dispositivos basados en el empleo de este tipo de materiales y lo consideramos muy recomendable para nuestros lectores:

Leer

Ejemplo de aplicación exótica con nanotubos de carbono: filtros que impiden la acumulación de bacterias

Por Gustavo R. Plaza (UPM)

Anteriormente hemos hablado en este blog de trabajos de investigación sobre nanotubos de carbono. Este material destaca especialmente por su espectacular resistencia mecánica y de hecho una aplicación muy simple es emplearlos como fibras de refuerzo de materiales poliméricos. Además también se han estudiado posibles aplicaciones en circuitos eléctricos y de producción o almacenamiento de energía.

Además de estas aplicaciones más convencionales, los nanotubos han resultado atractivos para otras aplicaciones más imaginativas, como la estudiada por el investigador David Jassby y sus colaboradores: emplearlos en filtros de purificación de agua.

Se emplean filtros para purificar agua mediante el proceso de ósmosis inversa, que consiste en hacer pasar el agua a través de los filtros. Por ellos no pueden pasar los iones y contaminantes que se desean eliminar. Las bacterias presentes en el agua pueden acumularse en el filtro, dando lugar a la formación de una película (biofilm) de proteínas y polisacáridos que obstruye los filtros incrementando el consumo de energía por la mayor presión requerida para llevar a cabo el proceso de ósmosis inversa.

Pues bien, un trabajo previo de investigadores japoneses, que comprobaron la menor acumulación en tuberías al aplicar de un pequeño potencial eléctrico, sirvió de inspiración a David Jassby. Su trabajo ha permitido demostrar el efecto positivo de emplear nanotubos de carbono en los filtros, aplicando un pequeño potencial eléctrico.

Nos ha gustado tomar este trabajo como ejemplo interesante de desarrollo de una nueva aplicación para un material inspirándose en diferentes ideas. Sirva también como ejemplo de la utilidad de fortalecer nuestro conocimiento, ampliando nuestras capacidades para generar ideas innovadoras.

Visualizando los sorprendentes materiales estructurales de las neuronas

Por Gustavo R. Plaza (UPM)

Las ténicas de microscopía óptica más avanzadas permiten visualizar con extraordinaria resolución los materiales estructurales de nuestras células. Un reciente estudio dirigido por la Profesora Xiaowei Zhuang muestra la estructura tubular de los axones neuronales.

Tradicionalmente, los microscopios ópticos permiten adquirir imágenes en las que en el mejor de los casos la resolución alcanzada es del orden de centenares de nanómetros (es decir, por encima de 0.0001mm). Sin embargo en las últimas dos decadas, en especial la última, hemos sido testigos del desarrollo de técnicas ingeniosas que permiten mejorar esta resolución para visualizar moléculas biológicas. La resolución alcanzada es en este caso del orden de decenas de nanómetros. El gran interés es contribuir al estudio de las biomoléculas en el interior de las células, dando alas a la exploración microscópica de los secretos de la vida.

Una de estas técnicas ha sido bautizada con un nombre de aires tan matemáticos como microscopía de reconstrucción óptica estocástica (STochastic Optical Reconstruction Microscopy, STORM), y ha sido desarrollada por el Grupo de la Profesora Xiaowei Zhuang en Boston. La técnica utiliza microscopía de fluorescencia. Se utilizan pequeñas moléculas fluorescentes que pueden adherirse a las biomoléculas de interes. La idea básica de esta técnica es iluminar sólo una pequeña cantidad de las moléculas fluorescentes en cada instante y localizar con gran precisión su posición (los interesados pueden ver más detalles en el vídeo de este enlace).

Imágenes mostrando la excelente resolución alcanzada por microscopía de fluorescencia convencional y por la técnica STORM (ver texto; imagen: X. Zhuang).

Con esta ingeniosa y eficaz técnica, se han obtenido recientemente imágenes de tres proteínas que forman parte de la estructura tubular que contribuye a la resistencia y rigidez de los axones de las neuronas. Dichas proteínas se ensamblan en una estructura repetitiva a lo largo del axón, formando barras en la dirección axial del axón y anillos transversales. Una organización semejante sería la que podría proponer un ingeniero para una estructura tubular. El ingeniero elegiría los tamaños de los anillos y de las barras de forma que tuvieran la rigidez y la resistencia apropiadas. La solución encontrada por la naturaleza para los axones debe cumplir con estos requisitos, si bien la comprensión de estos detalles está esperando el análisis de los científicos apasionados por los materiales biológicos…

Empujón de la Comisión Europea a la investigación en Materiales con el gran proyecto de grafeno

Gustavo R. Plaza (U.P.M.)

No queríamos dejar de recoger en el blog el resultado de la convocatoria hecha por la comisión europea para la concesión de dos grandes proyectos de investigación, cada uno de ellos con un presupuesto de nada menos que 1000 millones de euros.

Entre las propuestas presentadas, han resultado ganadoras las que han propuesto la modelización del cerebro humano y el estudio y desarrollo de aplicaciones del grafeno. Por tratarse de grandes (enormes) proyectos de investigación, participan en ellos diferentes instituciones, incluida la que para nosotros personalmente es más cercana, la Universidad Politécnica de Madrid.

El consorcio al que se le ha adjudicado el proyecto de grafeno está liderado por la Chalmers University of Technology, en Gothenburg, Suecia. Según la información facilitada por el consorcio, coordinará 126 grupos de universidades y empresas, en 17 países europeos (incluida España), con un presupuesto inicial de 54 millones de euros para 30 meses. El consorcio prevé su ampliación con otros 20-30 grupos a través de una convocatoria abierta, lo cual puede ser una oportunidad a tener en cuenta para los investigadores interesados.

Es previsible que el proyecto acelere el desarrollo de aplicaciones para el grafeno, como veremos en los próximos años, y de las que seguiremos hablando en este espacio.

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