Ciencia de nuevos materiales en el CNyN

Por José Antonio Alonso García

Acepta la investigadora que sí hay diferencia entre cómo se trabaja allá y cómo se hace aquí. Una experiencia positiva, porque eso es lo bueno de salir, asegura. Comprendes a qué se deben las diferencias.

Comenta la Dra. Cruz en entrevista para El Faro en línea que allá las cosas se resuelven de una manera más rápida. Todo está hecho para que la gente trabaje. Los apoyos económicos se proporcionan de forma más rápida. “Por ejemplo, cuando se me descomponía un equipo, en dos o tres días podía llegar el repuesto para la reparación”. En comparación, la compostura de un equipo similar en México puede tardar muchos meses.

Una de las ‘desventajas’ es que la competencia es muy fuerte, porque el nivel es muy grande y hay una presión enorme para sacar resultados. Tanto que “en algunos grupos el trabajo puede ser excesivo”.

No obstante, la conclusión de la Dra. Cruz es que esos dos años fueron una experiencia personal y profesional, incluso familiar, muy buena. Con resultados muy positivos.

Excelencia en todos los niveles

Evaluando su estancia posdoctoral en Berkeley concluye que en el conocimiento o la capacidad de trabajo “no vi ni veo diferencia”. En lo que sí hay mucha diferencia es en los apoyos y en los trámites administrativos que los investigadores deben realizar a uno y otro lado de la frontera.

De sus palabras podría deducirse que es más fácil ser investigador en Estados Unidos que en México.

“Yo no diría que es más fácil ser investigador allá que aquí. Sí es más fácil hacer investigación, que es diferente. La exigencia de investigación para ellos es tanta como para nosotros. Al investigador le piden que realice muchas tareas: hacer investigación, tener estudiantes, dar cursos, hacer divulgación y difusión de la ciencia, tener proyectos. Son muchas las actividades que tenemos que hacer, y hacerlas con excelencia, y me parece que la exigencia es la misma en ambos lados. Pero sí es más fácil hacer investigación por eso de que allá se dispone de los recursos y facilidad en los trámites administrativos”.

Refiere que con la contingencia sanitaria algunos de los equipos que se quedaron sin servicio de mantenimiento en el Centro de Nanociencia y Nanotecnología (CNyN), donde labora la Dra. Cruz, se descompusieron y pasaron varios meses para echar a andar algunos” Y son equipos fundamentales para la investigación”.

Aunque si no disponemos de algún equipo, apunta la experta en nanomateriales, hay algún colega que lo tiene en el país o fuera del país. Pero se retrasa la investigación, porque hay que enviar las muestras y esperar a que regresen. Lo bueno es que se tiene la alternativa.

A su regreso, dado que el microscopio de fuerza atómica del CNyN estaba descompuesto, la Dra. Cruz acudió a un colega del Cinvestav-Querétaro “con el que tengo colaboración. Fui a hacer una estancia para tener acceso al equipo y hacer mis medidas”.

Ferroeléctricos, piezoeléctricos, multiferroicos y perovskitas híbridas fotovoltaicas

La doctora Cruz Jáuregui, experta en la preparación y estudio de materiales, sigue tres líneas de investigación: materiales ferroeléctricos, piezoeléctricos y multiferroicos, tanto en forma cerámica como en película delgada; perovskitas híbridas fotovoltaicas con aplicaciones en celdas solares (las que también son electro y fotoluminiscentes); y andamios e insertos de TiO₂ [óxido de titanio] para el crecimiento celular.

Recuerda que una de las primeras aplicaciones importantes de los piezoeléctricos fue en los submarinos durante la primera guerra mundial para fines de comunicación.

Al aplicarle voltaje, este material cambia de forma, se elonga y contrae. También ofrece el efecto inverso. Al someterlo a esfuerzos (por ejemplo al tratar de comprimirlo o ensancharlo) se generan cargas en su superficie que varían en el tiempo y se transforman en una corriente. “Al someter el material piezoeléctrico a esfuerzos genera una corriente”.

Esos submarinos enviaban información a sus pares aplicando campos variables a los materiales piezoeléctricos que al deformarse generan ondas que viajan por el agua hasta el otro submarino. Ese fue uno de los primeros usos importantes de los materiales piezoeléctricos. También sirven de sonares y en equipos de ultrasonido, así como para fabricar micro y nanomotores.

El reto está en eliminar el plomo

El titanato-zirconato de plomo, explica la Dra. Cruz, quien fuera jefa de la Unidad de Nanocaracterización del CNyN, es el mejor piezo-ferroeléctrico porque tiene las mejores propiedades en la actualidad. Es un compuesto estable y no tóxico.

Sin embargo, para generarlo la industria se basa en óxidos de plomo, los que se someten a altas temperaturas, haciendo que el plomo se libere y volatilice, y como elemento por separado el plomo es altamente tóxico.

Y dado que el mejor piezoeléctrico se basa en el plomo “no podemos eliminarlo, porque entonces no tendríamos ni sonares en los equipos de navegación ni equipos de ultrasonido en los hospitales ni algunos micromotores ni muchas aplicaciones fundamentales para la vida del ser humano”. Así pues, eliminar el plomo de los piezoeléctricos es uno de los objetivos de los científicos en esta área de investigación.

Y este es también un objetivo de la investigadora del Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM. “Los que estamos en esta investigación buscamos materiales que no contengan plomo y ofrezcan las mismas o mejores propiedades.»

Alternativa al plomo

Uno de esos nuevos materiales alternos es el ferrato de bismuto, que al no tener plomo tampoco ofrece ese problema”; pero además de ser piezoeléctrico, también es ferroeléctrico, presenta una respuesta magnética y más actualmente se ha demostrado que es fotovoltaico.

En los ferroeléctricos en particular, al aplicarles un campo eléctrico, refiere la investigadora, nacida en la ciudad morelense de Cuautla, cambia la dirección de polarización (que tiene que ver con la distribución de las cargas eléctricas), fenómeno que se aprovecha en la fabricación de las memorias computacionales.

Los nuevos materiales piezo-ferroeléctricos libres de plomo, apunta la Dra. Cruz Jáuregui, se elaboran en forma de películas delgadas, de espesores nanométricos; y por ser tan delgadas, sus propiedades son muy diferentes a los materiales gruesos.

Celdas solares baratas para todos

Explica la experta que las celdas solares actuales se basan en el silicio y son caras. Sí conviene comprarlas porque con el tiempo se amortiza el costo, pero de entrada se debe hacer un gasto fuerte. Y son caras porque deben fabricarse con tecnologías de cuarto limpio y semiconductores, lo que encarece su valor.

“Estos nuevos materiales que yo estoy estudiando, que son perovskitas híbridas, no requieren de la tecnología de cuarto limpio ni de técnicas de semiconductores. Se pueden hacer en un laboratorio común y corriente con técnicas simples. Entonces, son mucho más baratos”.

Con su grupo de trabajo prepara el material en forma de película delgada, lo caracteriza y lleva a cabo la investigación. Estas perovskitas son híbridas por tener una parte orgánica y una que no lo es. Son interesantes porque además de fotovoltaicas, también son ferroeléctricas, foto y electroluminiscentes, propiedes que dependen de la composición y condiciones de preparación.

Objetivo tecnológico

Una celda solar de perovskita híbrida está compuesta por varias capas. La perovskita fotovoltaica (donde se generan los pares electrón-hueco), está ensandwichada entre una capa conductora de electrones y otra conductora de huecos. La conductora de electrones está depositada sobre un electrodo conductor transparente preparado sobre vidrio, y sobre la conductora de huecos se pone un contraelectrodo.

La celda solar está conformada por varias capas cuyos materiales y características se van optimizando en función de las condiciones de preparación y resultados de los análisis.

“Eso es precisamente lo que hago, estudiar cada capa de la celda solar basada en perovskitas híbridas. Preparo las capas y las estudio, para ir resolviendo los problemas, con el objetivo final de obtener una aplicación tecnológica. Pero eso lleva mucho tiempo. ¿Cuánto? Varios años”.

Por su gran valor para generar energía solar limpia y barata, las perovskitas híbridas son un tema muy investigado en todo el mundo.

Ciencia, pasión y retos

La ciencia es una pasión que se alimenta de retos.

“Les digo a los jóvenes que se pongan retos. El primero es que traten de entender qué es la ciencia y cómo funciona. Después vendrá la resolución de problemas, un reto a la vez. Y aunque la meta está lejana, la ciencia es de pequeñas contribuciones. Pero ese conjunto de pequeñas contribuciones hace que los investigadores y la humanidad vayan logrado sus metas”, apostilla la Dra. Ma. de la Paz Cruz Jáuregui.

CONFERENCIAS : https://youtu.be/HFuAIlSTa58