UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

Coordinación de la Investigación Científica

PROPUESTA DE CAMBIO DE DENOMINACIÓN

DE

CENTRO DE CIENCIAS DE LA MATERIA CONDENSADA

A

CENTRO DE NANOCIENCIAS Y NANOTECNOLOGÍA

Mayo, 2007

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I N D I C E

I N D I C E ......................................................................................................................... 2 Antecedentes .............................................................................................................................. 3 Creación del Centro de Ciencias de la Materia Condensada................................................ 9

Logros científicos del CCMC................................................................................................................ 9 Nanotecnología ........................................................................................................................ 10

Evolución de las investigaciones a la nanoescala en el CCMC ......................................................... 11 Resumen de las contribuciones del CCMC-UNAM en el estudio de materiales, sistemas y dispositivos a la nanoescala ................................................................................................................................... 13

Centro de Nanociencias y Nanotecnología............................................................................ 14 Estructura del CNNE.............................................................................................................. 15 Departamentos ........................................................................................................................ 15

Física Teórica ..................................................................................................................................... 15 Nanoestructuras.................................................................................................................................. 17 Materiales Avanzados ......................................................................................................................... 20 Físicoquímica de Nanomateriales....................................................................................................... 24 Nanocatálisis ...................................................................................................................................... 27

Personal académico del CNNE .............................................................................................. 30 Laboratorios y equipamiento ................................................................................................. 30 Crecimiento del CNNE a corto plazo .................................................................................... 31 Formación de Recursos Humanos ......................................................................................... 31

Creación de la carrera de Ingeniería en Nanotecnología .................................................................. 32 ANEXOS........................................................................................................................... 34

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Antecedentes El Centro de Ciencias de la Materia Condensada (CCMC) fue creado por acuerdo del Consejo Universitario, el 2 de diciembre de 1997, con el objetivo general de realizar investigación científica de excelencia, tanto teórica como experimental, básica y orientada a la aplicación tecnológica, en temas de frontera en el campo de las ciencias de la materia condensada. Se puso particular énfasis en promover el desarrollo regional y nacional, comprometiendo sus esfuerzos en la formación de recursos humanos del más alto nivel en las áreas, disciplinas y técnicas comprendidas en las ciencias de la materia condensada. Se respondió así a una petición formulada por el personal académico del entonces Laboratorio de Ensenada, subdependencia del Instituto de Física, establecida en agosto de 1981 en Ensenada, Baja California, misma que contó con el apoyo del Instituto de Física (IF), del Consejo Técnico de la Investigación Científica (CTIC). Los antecedentes del Laboratorio de Ensenada del Instituto de Física (LEIF), a partir del cual se creó el Centro de Ciencias de la Materia Condensada, se remontan a la inauguración del Observatorio Astronómico Nacional de San Pedro Mártir, Baja California y al inicio de la construcción de su sede en Ensenada, Baja California, en septiembre de 1979. El proyecto para establecer el Laboratorio de Ensenada del Instituto de Física de la UNAM fue presentado al Rector, Dr. Guillermo Soberón Acevedo, el 9 de noviembre de 1979. El día 17 de noviembre de 1983 se inauguró el edificio que contendría las instalaciones del LEIF por el Rector Octavio Rivero Serrano. Para el inicio de las actividades de investigación, se reubicaron a Ensenada algunos equipos del Instituto de Física, como el microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HRTEM), el espectrómetro de fotoelectrones de rayos x (XPS), el espectrómetro de electrones de baja energía (LEED) y se adquirió un microscopio de barrido con espectroscopia Auger (SAM). La situación cercana del Laboratorio a la frontera con Estados Unidos fue favorable para obtener refacciones y materiales necesarios para el mantenimiento de esos equipos de alta tecnología. También permitió obtener acceso a información bibliográfica relevante, de manera muy rápida, a través de la Universidad de California en San Diego, así como establecer colaboraciones con universidades de los estados norteamericanos colindantes con el norte de México, como California, Arizona y Texas.

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La planta académica del Laboratorio de Física se inició con la reubicación de investigadores del Instituto de Física como el Dr. Leonel S. Cota Araiza, líder en el área de caracterización de superficies, el Dr. Ernesto Cota Araiza de la Universidad Autónoma Metropolitana en Iztapalapa, con experiencia en modelos de cálculos de física cuántica y se reforzó con la contratación de jóvenes investigadores con estudios de doctorado o posdoctorado en instituciones de alto prestigio como: el Dr. Mario H. Farías Sánchez con posdoctorado de la Universidad de California en Berkeley, el Dr. Ignacio Luis Garzón Sosa con posdoctorado en la Universidad de California en San Diego, el Dr. Miguel Ávalos Borja, con doctorado en la Universidad de Stanford y el Dr. Leonardo Morales de la Garza con doctorado en la Universidad de Cambridge. Estos investigadores desarrollaron proyectos en áreas de frontera como: el análisis de superficies de alta precisión por XPS, SAM y LEED, la caracterización de la nanoestructura de partículas pequeñas en el intervalo de decenas de Ångstroms, utilizando el microscopio electrónico (HRTEM), los modelos de cúmulos metálicos con un número reducido de átomos, utilizando cálculos de primeros principios, así como cálculos teóricos de sistemas de baja dimensionalidad. De esta manera, se formaron grupos de investigación en las áreas de Fisicoquímica de Superficies, Nanoestructuras y Física Teórica que sirvieron de núcleos para formar los departamentos respectivos. La característica que unificaba a estos grupos es que investigaban problemas de física que involucraban arreglos de muy pocos átomos con propiedades diferentes a las del volumen, ya sea en forma de capas superficiales, o arreglos de los mismos como los pozos cuánticos o partículas muy pequeñas, menores a 5 nanómetros, con un alto número de átomos de baja coordinación. En esos momentos esta investigación se clasificaba en los temas de la materia condensada, pero con el avance científico y el surgimiento de nuevos conocimientos, esos temas se ubicaron como investigación a la nanoescala dando lugar a las nanociencias. El esfuerzo combinado de estos grupos en los temas mencionados permitió al Laboratorio de Ensenada situarse a la vanguardia en la investigación de temas de frontera, lo cual le dio renombre nacional e internacional. Para complementar el estudio de los fenómenos superficiales y a través del acercamiento con el Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE), donde se había establecido algunos años antes un grupo de óptica muy reconocido, se realizó la contratación de dos investigadores con amplia experiencia en esa área, el Dr. Jesús M. Siqueiros Beltrones y el Dr. Roberto Machorro Mejía. Ellos desarrollaron equipos y técnicas experimentales para la caracterización de la superficie de los

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materiales utilizando métodos ópticos. Se instalaron elipsómetros que permitieron determinar cambios en la textura superficial de películas delgadas con precisión. Este grupo de investigación dió lugar al Departamento de Propiedades Ópticas, el cual posteriormente, se fortaleció con la contratación del Dr. Mufei Xiao, quien desarrolló trabajos teóricos y prácticos acerca del microscopio de campo cercano, una técnica muy prometedora para la visualización a nanoescala de arreglos superficiales con alta resolución. En este departamento también se iniciaron estudios en materiales superconductores, capas duras y materiales ferroeléctricos, convirtiéndose en una línea de investigación muy activa que fue reforzada con la integración de los Dres. Jesús L. Heiras Aguirre, Oscar Raymond Herrera y María de la Paz Cruz Jáuregui. Para poder aprovechar el gran potencial existente en el LEIF hacia la formación de recursos humanos con un enfoque hacia la investigación, se dedicó un gran esfuerzo a establecer un programa de Posgrado en Física de Materiales (PFM), en colaboración con el CICESE. Este programa quedó establecido en 1984 y en el transcurso de los años se convirtió en el posgrado que mayor número de recursos humanos ha formado en relación al estudio de los materiales en el país. Más del 70% de los egresados del PFM se encuentran registrados en el Sistema Nacional de Investigadores. El Departamento de Fisicoquímica de Superficies creció posteriormente hacia la búsqueda de aplicaciones de los conocimientos generados en el laboratorio, esto llevó a que se investigaran materiales con propiedades relevantes. Para este objetivo se incorporaron, tanto investigadores con experiencia como investigadores jóvenes, los cuales reforzaron la visión de ampliar el estudio de la materia condensada a algunos campos tecnológicamente relevantes como: superconductividad (Dr. Donald Homero Galván Martínez), recubrimientos de alta dureza (Dr. Wencel de la Cruz Hernández, Dr. Gerardo Soto Herrera), materiales luminiscentes y catodoluminiscentes (Dr. Gustavo A. Hirata Flores). Un gran avance en la caracterización de los conjuntos de átomos depositados en la superficie fue la invención del microscopio de tunelamiento de electrones (STM) por Gerd Binnig y Heinrich Rohrer en 1981. Este nuevo instrumento fue completamente innovador, ya que no sólo permitió observar los arreglos atómicos de la superficie, sino también manipular la posición de ellos. De esta manera se cumplió la predicción realizada en 1959 por Richard Feynmann en la que propuso que era posible escribir la Biblia en

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una cabeza de alfiler si se utilizaran átomos para formar las letras. Utilizando el principio del STM surgieron otros equipos como el microscopio de fuerza atómica y se crearon métodos de escritura utilizando átomos, como la nanolitografía. Este descubrimiento fue incorporado rápidamente al Laboratorio de Ensenada y se desarrollaron proyectos para la construcción de equipo de visualización atómica por microscopía de tunelamiento de electrones, herramientas a nivel nanométrico como nanomanipuladores y posicionadores y un reactor para reacciones electroquímicas en superficie (Dr. José Valenzuela Benavides). También se adquirió un equipo de nanoindentación para determinar la dureza de películas y recubrimientos muy delgados (Dr. Enrique Cuauhtémoc Sámano Tirado). El grupo de Física Teórica se inició con la llegada al LEIF del Dr. Ernesto Cota Araiza en enero de 1982 y se ha desarrollado a lo largo de los temas siguientes: estudios de transporte electrónico en sistema de dimensionalidad reducida (pozos cuánticos, heteroestructuras), efectos ópticos no lineales y de campo local en superficies y sistemas inhomogéneos, física estadística de sistemas desordenados y cálculos de primeros principios de estructura electrónica de materiales y compuestos de interés tecnológico. La primera línea de investigación tuvo un impulso importante a partir de estancias de investigación y colaboraciones posteriores del Dr. Cota con los Dres. Jorge José de la Universidad de Northeastern y Sergio Ulloa, de la Universidad de Ohio, EUA. De esta interacción, surgieron los trabajos de tesis de maestría de Fernando Rojas, Jesús Maytorena y Francisco Mireles, quienes eventualmente se han incorporado como investigadores, después de realizar su trabajo doctoral y posdoctoral en diferentes instituciones del extranjero. El grupo de física estadística de sistemas desordenados y fuera de equilibrio, se ocupa de la descripción de procesos de nucleación, crecimiento de dominios y separación de fases en aleaciones y/o fluidos binarios, cristales líquidos, materiales ferromagnéticos y ferroeléctricos. Ha sido desarrollado por la Dra. Laura Viana a partir de su incorporación en 1985 y se ha reforzado con la participación del Dr. Fernando Rojas y colaboraciones con estudiantes e investigadores extranjeros. Por otro lado, la línea de cálculos de estructura electrónica y modelación numérica de materiales, fue iniciada en 1985 por el Dr. Luis Ignacio Garzón quien eventualmente se transfiriera al IFUNAM. El Dr. Garzón participó en el comité de tesis de doctorado de Armando Reyes, quien ha continuado el trabajo de investigación en esta área, con particular interés en el estudio de materiales superconductores y el diseño de nuevos materiales. Recientemente, con la incorporación de los Dres. Jesús Alberto Maytorena y Catalina López Bastidas, ha sido posible

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abordar el estudio propiedades ópticas de superficies y sistemas inhomogéneos de dimensiones nanométricas. El Departamento de Nanoestructuras se inició con el Dr. Leonardo Morales de la Garza y el Dr. Miguel Ávalos Borja, llegados al LEIF en 1981 y 1983, respectivamente, el primero trabajando con la técnica de difracción de electrones de baja energía (LEED) y el segundo en problemas relacionados con partículas pequeñas de dimensiones nanométricas. Posteriormente, se incrementó el número de investigadores con la contratación de los Doctores: José Valenzuela Benavides (microscopía de tunelamiento y fuerza atómica, además de la fabricación de micromanipuladores), Oscar Edel Contreras López (fabricación y caracterización de materiales luminiscentes), Manuel Herrera Zaldívar (microscopía de tunelamiento y fuerza atómica, además de la fabricación de nanovarillas y otras nanoestructuras). Después se integró el grupo de simulaciones del Departamento de Nanoestructuras, que está formado, por el Dr. Noboru Takeuchi Tan, quien ingresó en 1994 al entonces LEIF (Cátedra Patrimonial Nivel II del CONACYT) iniciando la línea de investigación sobre cálculos de primeros principios de superficies semiconductoras, por la Dra. María Guadalupe Moreno Armenta, quien ingresó al CCMC en 2001 (Programa de Retención del CONACYT) para realizar cálculos de primeros principios de Nitruros y Carburos; y por el Dr. Gabriel Iván Canto Santana quién ingresó en 2003 al CCMC (Programa de Repatriación del CONACYT) para realizar cálculos de primeros principios de superficies y nanoestructuras. Este grupo realiza cálculos de primeros principios de superficies y sistemas nanoestructurados con métodos que usan tanto la teoría del funcional de densidad como Hartree-Fock. El estudio de los catalizadores para aplicación en procesos de prevención de la contaminación, fue una de las áreas de la fisicoquímica donde se consideró que podrían realizarse investigaciones, con gran potencial de obtener desarrollos tecnológicos de interés para el país. Para iniciar este grupo se reubicó del IF al LEIF en el año de 1990, al Dr. Sergio Fuentes Moyado, investigador con amplia experiencia en el área. Sus proyectos investigaron el comportamiento catalítico de las nanopartículas de paladio a través de la interacción con óxidos de tierras raras de La y Ce combinadas con Zr, para la reducción de contaminantes atmosféricos derivados de la combustión así como el proceso de hidrodesulfuración de moléculas de azufre (HDS) contenidas en en los combustibles, utilizando catalizadores no soportados de sulfuros de metales de transición (MoS2, WS2, NiS y Co9S8). Posteriormente se invitó a dos profesores rusos para reforzar al grupo de

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catálisis, la Dra. Nina Bogdantchikova y el Dr. Vitali Petranovski, con experiencia en el estudio de cúmulos metálicos ubicados en el interior de las cavidades de la zeolitas con dimensiones nanométricas. Ellos realizaron estancias de investigación en Ensenada, utilizando cátedras patrimoniales del CONACYT. Siguiendo este mismo esquema se integró al Dr. Andrey Simakov, experto en cinética química y en el estudio de mecanismos de reacción en superficie utilizando técnicas espectroscópicas, consolidándose un grupo líder en catálisis con relevancia internacional. El Departamento de Catálisis se formó con la participación de los investigadores anteriormente mencionados y la incorporación de dos investigadores egresados del posgrado en Física de Materiales, la Dra. Amelia Olivas Sarabia y el Dr. Felipe F. Castillón Barraza. La combinación del factor humano de excelencia con una infraestructura de primer nivel hizo que la producción científica de alta calidad creciera rápidamente ubicando al LEIF como un lugar reconocido en el estudio de fenómenos relacionados con la materia condensada. Este reconocimiento permitió que en la década de los años noventa se construyeran nuevas instalaciones y se lograra adquirir equipo nuevo como, el sistema de ablación láser con análisis de XPS y AES, para el crecimiento controlado de películas delgadas a nivel de capas atómicas, y el de difracción de rayos-x, con apoyos del CONACYT y la Coordinación de la Investigación Científica de la UNAM, respectivamente.

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Creación del Centro de Ciencias de la Materia Condensada La transformación del Laboratorio del Instituto de Física (LEIF) a Centro de Ciencias de la Materia Condensada (CCMC) se llevó a cabo a finales de 1997 y obedeció al notable crecimiento que tuvo la disciplina de la materia condensada en la década de los ochentas dentro de la rama de la Física. Los fenómenos cooperativos de la materia condensada que se producen por interacciones entre los átomos al condensarse en una superficie formando materia condensada, dieron lugar a una sorprendente gama de propiedades físicas. De esos conceptos fundamentales surgieron una gran cantidad de aplicaciones como los semiconductores, los superconductores, los cuasicristales, los fenómenos magnéticos y la fase superfluida del helio. Estos avances se vieron reflejados en los proyectos desarrollados en Ensenada, aumentando el financiamiento obtenido en las convocatorias de ciencia básica del CONACYT.

Logros científicos del CCMC Las principales contribuciones científicas del CCMC están relacionadas con el estudio teórico y experimental de nuevos materiales, los métodos de síntesis, la caracterización de su estructura y la determinación de sus propiedades. En los últimos años las investigaciones se han dirigido hacia el estudio teórico y experimental de los nanomateriales. Recientemente las investigaciones hacen énfasis en aquellos nanomateriales que puedan generar aplicaciones innovadoras. Entre las principales aportaciones de los grupos de investigación se cuenta con el desarrollo de la preparación de nanomateriales y nanoestructuras utilizando técnicas sofisticadas de síntesis como el crecimiento de películas delgadas por ablación láser y por depósito químico con vapores de moléculas orgánicas (MOCVD), pulverización iónica reactiva, vapor químico con filamento caliente, la síntesis de materiales nanoestructurados por sol-gel orgánico e inorgánico, la preparación de nanopartículas y catalizadores por intercambio de iones en la superficie, etc. Asimismo, en el campo de la espintrónica, se han realizado diseños de sistemas basados en arreglos de puntos cuánticos, realizables en laboratorios especializados, con propiedades para generación y control de corrientes polarizadas de espín, que es uno de los objetivos fundamentales del campo.

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Se estudian materiales nanoestructurados ferroeléctricos, luminiscentes, catodoluminiscentes, recubrimientos duros, nuevos materiales de carburos y nitruros. Se preparan nanocatalizadores para la protección al medio ambiente y el ahorro de energía. Se lleva a cabo el estudio de la interacción luz-materia en plasmas y las propiedades optoelectrónicas de nuevos materiales. Se caracteriza la estructura de los nanomateriales por microscopía electrónica de transmisión y difracción de rayos-x; se analiza la composición química y la morfología por microscopía electrónica de barrido (SEM). Se caracteriza la superficie de los materiales por espectroscopías de fotoelectrones (XPS), de electrones Auger (AES) y se realizan perfiles de composición como función de la profundidad. Se visualizan los arreglos superficiales de los materiales por microscopía de tunelamiento de electrones (STM), microscopía óptica de campo cercano (SNOM) y microscopía de fuerza atómica (AFM). Se lleva a cabo el diseño y construcción de equipos, como el STM, los reactores electroquímicos de alta presión y control de temperatura, los posicionadores y dispositivos mecánicos nanométricos, las cámaras de ultra alto vacío, los sistemas de crecimiento de películas delgadas por depósito de vapores químicos y los reactores catalíticos.

Nanotecnología La ciencia de los fenómenos que ocurren a escalas nanométricas tiene sus propios principios físicos y descripciones teóricas, que aún estamos en el proceso de descubrir. Los nuevos descubrimientos de fenómenos físicos que ocurren a la nanoescala, los cuales son del orden del camino libre medio de los electrones o los fonones o de los arreglos moleculares, se catalogan como una disciplina independiente al estudio de los materiales en gran volumen. Así, la nanociencia es el estudio de los fenómenos y la manipulación de los materiales, a las escalas atómica, molecular y macromolecular, para entender y explotar las propiedades inherentes al tamaño, que son diferentes de las propiedades a gran escala. En la investigación realizada a la nanoescala,

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convergen los principios teóricos y las técnicas experimentales de la física, la química, la biología, la ciencia de materiales, los modelos computacionales de simulación y la ingeniería. Por su parte, la nanotecnología es el diseño, caracterización, producción y aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas controlando su forma y tamaño en la escala nanométrica (un nanómetro [nm] es la millonésima parte de un milímetro). Existe consenso entre instituciones educativas, organizaciones civiles, gobierno e industria, de países desarrollados, que en este siglo está sucediendo una revolución científica-tecnológica, sustentada en la capacidad de medir, manipular y organizar la materia a escala nanométrica. De esta manera, la visión de la Nanotecnología en el mundo actual, es que puede proveer un futuro prometedor, en el cual la capacidad de entender y controlar la materia a la nanoescala, puede llevar a a nuevos procesos y productos nanotecnológicos, que van a impactar la calidad de vida y la competitividad de los países, manteniendo siempre el equilibrio ecológico.

Evolución de las investigaciones a la nanoescala en el CCMC Desde su fundación como Laboratorio de Ensenada del Instituto de Física se han efectuado investigaciones de materiales a escala nanométrica a través de la síntesis, la caracterización y el modelado de nanopartículas, cúmulos y arreglos de átomos en la superficie. De 1986 a 2005 se publicaron artículos relacionados con temas científicos y tecnológicos a la nanoescala. Las contribuciones en la década de los años ochenta se enfocaron en el análisis de superficies, modelos de cúmulos metálicos, pozos cuánticos, y la estructura de las nanopartículas. En el año 1992 se iniciaron las publicaciones en revistas relacionadas con la aplicación de nanopartículas al área de catálisis, lo que se puede considerar como el inicio de las actividades en nanotecnología. En 1993 se publicó el primer trabajo en una revista específica para temas de nanoescala (Nanostructured Materials) y a partir de 1994 se iniciaron los reportes de estudios teóricos acerca de la dinámica de átomos en superficies y la construcción de un aditamento de posicionamiento para el microscopio de tunelamiento de electrones.

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En el período de 1996 a 2000 se observó un incremento en las publicaciones en temas de materiales a la nanoescala. En 1996 se publicaron los primeros estudios teóricos sobre el microscopio óptico de campo cercano, el cual se define como capaz de permitir resoluciones a nivel atómico. En 1998 se dan las primeras publicaciones acerca de fulerenos en revistas especializadas. En 1999 aparecen los estudios teóricos de transporte de electrones en una molécula artificial y los estudios de estabilidad de cúmulos de plata en el interior de zeolitas (también llamadas mallas moleculares porque sus cavidades y canales interiores tienen dimensiones inferiores a un nanómetro). De 2000 a 2005 se incrementa substancialmente el número de trabajos en sistemas nanométricos. En 2000 aparecen estudios teóricos sobre puntos cuánticos así como resultados experimentales sobre el depósito por ablación láser de nanopartículas en substratos cerámicos. En 2002 se reportan resultados acerca de las propiedades de nanopartículas de oro en la conversión de monóxido de carbono, las bases teóricas acerca del concepto de espintrónica cuántica, la producción de nanotubos de MoTe2 por irradiación de electrones y el estudio de clusters gigantes de nanopartículas de oro ligadas con tioles. En 2003 se publican resultados del equipo de STM conceptualizado y construido en el centro, para estudios de depósito electroquímico. Se reportan asimismo estudios teóricos de hidrógeno embebido en nanotubos de carbón, el crecimiento de nanoclusters de CdS, ZnS y ZnCdS en el interior de zeolitas y la formación de nanotubos de carbón de estructura multicapa por irradiación de electrones. En 2004 se reporta la producción de nanoestructuras de fulerenos inorgánicos de sulfuros de Ni y W, la síntesis de polvos nanocristalinos luminiscentes por combustión controlada por presión y modelos de la reacción de alquinos y alquenos en la superficie de silicio hidrogenado. En 2005, se publican resultados teóricos acerca del uso de puntos cuánticos dobles como bombas y filtros de espines, la caracterización de nanorodillos de ZnO, la actividad catalítica de nanopartículas de cobre para la oxidación completa de hidrocarburos, el estudio catalítico de nanoclusters de platino en reacciones de reformación de metano, la formación de nanoalambres de MoS2 con estados metálicos superficiales aplicado a reacciones de hidrogenación y la emisión de luz blanca y azul con compuestos nanocristalinos. Como se puede ver en la Figura 1, el número de artículos relacionados con el área de nanociencias y nanotecnología ha ido incrementándose rápidamente

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en los últimos años. Cabe mencionar que de 64 artículos publicados en 2006, 46 están relacionados con la nanociencia. Como resultado de las investigaciones en nanociencias, actualmente se tienen nanomateriales con propiedades mejoradas respecto a los materiales tradicionales y los cuales están en proceso de ser evaluados a escala de prototipo para aplicaciones como convertidores catalíticos en automóviles, actuadores magnéticos, nanolubricantes de estado sólido, materiales luminiscentes y recubrimientos de alta dureza.

Resumen de las contribuciones del CCMC-UNAM en el estudio de materiales, sistemas y dispositivos a la nanoescala En resumen se puede asegurar que el CCMC-UNAM ha contribuido en aspectos teóricos y experimentales relacionados con la dependencia del tamaño de los sistemas estudiados, aspectos cuánticos y mesoscópicos, así como en sus aplicaciones como materiales superduros, fotoluminiscentes, catalizadores y magnéticos. Ha desarrollado también técnicas de visualización y determinación del ordenamiento de los átomos, porque su conocimiento es de gran importancia en la comprensión de las propiedades estructurales de nuevos nanomateriales. Asimismo, se ha involucrado en la preparación de nanomateriales con propiedades nuevas que pueden ser de interés tecnológico. Se han preparado nanopartículas, películas delgadas, nanovarillas, recubrimientos de alta dureza, carburos, nitruros, entre otros materiales. Se han publicado ~ 220 artículos en revistas con arbitraje y circulación internacional en temas relacionados con la nanoescala. En el último año más del 70% de las publicaciones en revistas indizadas con arbitraje y circulación internacional fueron de temas relacionados a nanociencias y nanotecnología. Se trabaja tanto en proyectos científicos basados en modelos teóricos, como en desarrollos experimentales de nanomateriales con propiedades nuevas que buscan una aplicación tecnológica en varias direcciones. En esta búsqueda de aplicaciones tecnológicas de algunos de los materiales investigados en este Centro hay avances importantes como en el caso de las nanopartículas de plata para aplicaciones en medicina, los catalizadores nanoestructurados para aplicación en convertidores catalíticos, los nanolubricantes de estado sólido para aditivos de grasas o aceites y los materiales luminiscentes de alta eficiencia de luz blanca. En el Centro también se construyen equipos para el estudio a la nanoescala como los microscopios de tunelamiento de electrones

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así como nanodispositivos mecánicos para ser utilizados como actuadores o posicionadores. Estos logros han sido posibles a través de la integración de una planta de investigadores y técnicos que ha logrado desarrollar métodos experimentales y teóricos para el estudio de los materiales y la construcción de equipos y dispositivos, creando grupos de trabajo muy productivos que realizan investigación de alta calidad. Considerando el avance que han tenido los estudios teóricos y experimentales de materiales a la nanoescala en el CCMC, con una visión de investigación tanto científica como tecnológica, es muy pertinente proponer el cambio de denominación a Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM (CNNE-UNAM) en Ensenada.

Centro de Nanociencias y Nanotecnología Visión El Centro de Nanociencias y Nanotecnología deberá ser líder nacional con reconocimiento internacional en investigación y educación en Ciencia y Tecnología de los Nanomateriales. Dada la naturaleza multidisciplinaria de la nanotecnología, el Centro de Nanociencias y Nanotecnología tendrá carácter interdisciplinario para que logre la máxima efectividad e impacto Misión

• Desarrollar investigación científica del más alto nivel tanto teórica como experimental, básica y orientada a la aplicación tecnológica, en temas de frontera en el campo de los materiales con énfasis en nanomateriales.

• Formar recursos humanos de alta calidad en las áreas disciplinas y técnicas relacionadas.

• Promover el desarrollo sustentable regional y nacional de los sectores productivo y social.

• Realizar labores de divulgación de la ciencia y difusión de la cultura hacia la sociedad.

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Estructura del CNNE El Centro de Nanociencias y Nanotecnología de Ensenada contará con una estructura operacional de departamentos de investigación, similar a la del CCMC. En los departamentos se agruparán los investigadores que tengan temas de investigación afines, para aportar soluciones consensuadas a los retos comunes así como optimizar los recursos y la infraestructura disponibles en el centro.

Departamentos

Física Teórica La tendencia a la miniaturización de dispositivos electrónicos para el procesamiento de información y la búsqueda de mayor rapidez y menor costo, ha dado lugar actualmente a una etapa de transición de la microelectrónica a la nanoelectrónica. De esta manera, los transistores serán eventualmente sustituidos por dispositivos de dimensiones moleculares que pueden ser sintetizados químicamente o por procesos controlados de autoensamblado. El control eficiente y preciso de la corriente que fluye a través de estos sistemas y el entendimiento de los factores que afectan dicha corriente es un problema crucial en el proceso de miniaturización de la microelectrónica que nos interesa estudiar. Objetivo Uno de los objetivos principales de este departamento es el estudio, por técnicas analíticas y numéricas, de los procesos físicos que ocurren en estos sistemas, a partir de modelos teóricos apropiados. Los estudios incluyen propiedades de transporte, propiedades ópticas (efectos no lineales y de campo local), estructura electrónica y procesos fuera de equilibrio. Personal académico El personal académico del Departamento de Física Teórica estará formado por siete investigadores, seis titulares (un “B”, cinco “A”) y un asociado “C”.

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El trabajo de investigación de este departamento se desarrolla a lo largo de las líneas siguientes:

• Transporte electrónico y de espines (espintrónica) en nanoestructuras La espintrónica (electrónica basada en espines) es el estudio de las propiedades de espines en dispositivos electrónicos: su producción, control y detección. Esta área constituye un nuevo paradigma de la electrónica basado en el espín del electrón (en lugar de la carga) con la posibilidad de aplicaciones en operaciones lógicas, almacenamiento y lectura de información y como sensores. Los espines electrónicos confinados en puntos cuánticos han sido propuestos como candidatos para formar un bit cuántico para procesamiento de información, principalmente por sus tiempos de coherencia relativamente grandes. El principal objetivo de esta línea de investigación es estudiar la dinámica de espines electrónicos en puntos cuánticos, en presencia de campos externos y efectos disipativos y desarrollar técnicas de control y manipulación para su eventual utilización en procesamiento de información. Participantes: E. Cota, C. López, J. A. Maytorena, F. Mireles y F. Rojas.

• Propiedades dieléctricas de superficies y sistemas inhomogéneos. . Se estudia la interacción entre campos electromagnéticos y sistemas

inhomogéneos en escalas nanométricas, donde la física de campo cercano (ondas evanescentes, interacciones localizadas) es determinante para la comprensión de nuevos fenómenos y/o el desarrollo de nuevos métodos de observación. Los sistemas de interés son superficies, nanopartículas y nanosondas. Participantes: C. López y J.A. Maytorena.

• Física estadística de sistemas desordenados y fuera de equilibrio Se describe el proceso de nucleación y crecimiento de dominios, separación de fases en aleaciones y/o fluidos binarios, cristales líquidos y materiales ferromagnéticos y ferroeléctricos. Participantes: L. Viana, F. Rojas.

• Cálculos de propiedades estructurales y electrónicas de materiales

Se analizan las propiedades estructurales y electrónicas de boruros, carburos y nitruros, los cuales son materiales de gran ancho de banda

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prohibida con propiedades como semiconductores y superconductores y con aplicaciones como recubrimientos duros, recubrimientos resistentes a la corrosión, asi como en catálisis y optoelectónica. Se realizan cálculos basados en métodos como funcional de la densidad y Hartree-Fock entre otros. Participante: A. Reyes.

Nanoestructuras Objetivo El objetivo del Departamento ha sido desde un principio la fabricación y/o caracterización de materiales así como el modelamiento de superficies con dimensiones nanométricas, con posibles aplicaciones en campos como catálisis, recubrimientos duros, luminiscencia, celdas de combustible, entre otros. Para lograr este objetivo se ha conjuntado un grupo de investigadores que cubren todos los aspectos básicos de investigación en este campo, como son la fabricación de los materiales y su caracterización, tanto a nivel teórico como experimental. Personal académico El personal académico del Departamento de Nanoestructuras estará formado por ocho investigadores, seis titulares (dos “C”, un “B” y tres “A”), dos asociados “C” y tres técnicos académicos titulares (un “C”, un “B” y un “A”). Las líneas de investigación más importantes de este departamento son las siguientes:

• Caracterización morfológica y química de estructuras nanométricas como son: nanotubos, nanovarillas, nanocristales, etc.

La caracterización de las estructuras es el paso más importante en cualquier estudio de las mismas. En este departamento se puede hacer por medio de microscopíass electrónicas de barrido y transmisión, con auxilio de técnicas analíticas como son, análisis químico por medio de Dispersión de Energía (EDS), análisis químico por medio de

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Espectroscopía de Pérdidas de Energía en Paralelo (PEELS). También se realizan caracterizaciones por Catodoluminiscencia y difracción de rayos X. Participantes: M. Ávalos, F. Ruiz, I. Gradilla y E. Aparicio.

• Estudio de primeros principios de monocapas orgánicas

autoensambladas en superficies semiconductoras. Esta línea de investigación es importante por sus posibles aplicaciones como sensores de radiación electromagnética en diferentes longitudes de onda o para reconocer materiales tóxicos o peligrosos tales como el ántrax, o el virus del SIDA (HIV). Participantes: N. Takeuchi y G. Canto.

• Adsorción de hidrógeno y moléculas orgánicas (etileno, acetileno,

etc.) en nanotubos. Los nanotubos tienen un gran potencial tecnológico hoy en día y sus aplicaciones aumentan notablemente, entre ellas están la de formar parte de los compuestos en donde se pueda almacenar hidrógeno para las celdas de combustible del futuro. Participante: G. Canto.

• Cálculos ab initio de las propiedades electrónicas y estructurales

de sólidos y moléculas. Esta línea se basa en la investigación de compuestos

ciclooctatetraenos octasustituidos (COTs) que tienen aplicaciones en dispositivos orgánicos emisores de luz (OLEDs) que emiten en la región azul.

Participante: G. Moreno.

• Semiconductores de Nitruros del grupo III: AlN, GaN y InN. Se estudiarán las propiedades de trasporte y la modulación del ancho de banda en diversas heteroestructuras, con el propósito de explorar la emisión luz en toda la región del visible utilizando un mismo material. Participantes: O. E. Contreras.

• Síntesis y caracterización de materiales nanoestructurados con

propiedades luminiscentes. Se sintetizarán y caracterizarán nanoestructuras de ZnO con formas específicas como nanodiscos o nanovarillas. Esto es con el fin de

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explorar formas controladas de crecimiento, para construir arreglos con propiedades electrónicas y físicas específicas. Participantes: J. Valenzuela y M. Herrera.

• Desarrollo y aplicación de sistemas mecánicos de posicionamiento y manipulación a escala nanométrica, utilizando cerámicas piezoeléctricas. Estos dispositivos tienen muchas aplicaciones, por ejemplo en la microbiología (microinyección, microelectrodos), en la industria de fabricación de circuitos integrados (como electrodos de contacto eléctrico) y como herramienta para el desarrollo de MEMS, etc. Participante: J. Valenzuela.

Infraestructura El Departamento de Nanoestructuras inició su equipamiento con la transferencia del microscopio electrónico de transmisión JEOL 100 C, perteneciente al IF (1984) y el técnico del mismo, el Sr. Francisco Ruiz Medina. Posteriormente se adquirió un nuevo microscopio JEOL 2010 con filamento de LaB6 y un accesorio para hacer análisis químico por medio de Espectroscopía de Pérdidas de Energía en Paralelo (PEELS). En 1990 se instaló el microscopio de barrido JEOL 5300 y se asignó como operador al Ing. Israel Gradilla Martínez. En 1991 se le instaló un detector para hacer análisis químico por medio de Dispersión de Energía (EDS). Después se instaló un detector para hacer análisis de composición química y topografía por medio de electrones retrodispersados, al mismo tiempo que se actualizó la adquisición de imágenes por vía digital y se le adoptó un procesador de pulsos Titán XPP-H. Posteriormente se implementó la adquisición de imágenes de la luz proveniente de la muestra por medio de catodoluminiscencia. Este equipo es actualmente uno de los más completos en el país para hacer simultáneamente imágenes por electrones secundarios, retrodispersados y luz, además de análisis químico por EDS y mapas de composición por electrones retrodispersados, todo con adquisición digital. En 1996 se adquirió un difractómetro de rayos-x, Philips X´pert, para hacer mediciones de difracción de polvos y haz rasante de películas delgadas. Este equipo también cuenta con un accesorio para hacer mediciones a temperatura variable, desde nitrógeno líquido hasta +300° C. Este equipo ha estado bajo el cuidado y operación de la M. en C. Eloísa Aparicio Ceja desde 1997.

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La Microscopía de Efecto Túnel (STM), empezó en el Laboratorio de Ensenada del Instituto de Física en el año de 1989, con la adquisición del primer microscopio de su tipo en México, y uno de los primeros que se comercializaron como instrumento de investigación. Para mejorar la operación del equipo se desarrolló un sistema para la digitalización y procesamiento de las imágenes, simultáneamente se concluyó el diseño y construcción de un STM para ultra alto vacío (UHV) que permitió el estudio de superficies en un ambiente limpio y controlado, proporcionando sus primeras imágenes a principios de los años noventa. Después se adaptaron controladores NanoScope a ambos microscopios para aumentar sus capacidades de visualización. En 1998 se construyó un STM para operar en ambientes electroquímicos ó EC-STM (Electrochemical STM), equipado con un bipotenciostato y miniceldas electroquímicas. Con este instrumento se empezaron los primeros estudios sobre la adsorción de halógenos sobre superficies metálicas, así como estudios sobre electrodepósitos metálicos. Actualmente, se tiene en marcha el diseño y construcción de un STM para operar a temperaturas de nitrógeno líquido (LN) para el estudio de las propiedades electrónicas de materiales luminiscentes a bajas temperaturas y explorar diferentes mecanismos de adsorción y formación de estructuras. El Departamento de Nanoestructuras cuenta también con una cámara de UHV equipada con análisis por difracción de electrones de baja energía (LEED), analizador de gases residuales (RGA) y de electrones Auger (AES).

Materiales Avanzados Actualmente Propiedades Ópticas Objetivos Los objetivos de este departamento son los de realizar investigación básica en las líneas de ferrolectricidad y de interacción luz-materia, trabajar en la medida de lo posible en proyectos que tengan aplicaciones y realizar labores de docencia y divulgación en las líneas de investigación mencionadas. Personal académico El personal académico del Departamento de Materiales Avanzados estará formado por seis investigadores, cinco titulares (dos “C”, dos “B” y uno

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“A”), un asociado “C” y dos técnicos académicos (un titular “A” y un asociado “C”).

Líneas de Investigación

• Ferroelectricidad e interacción luz-materia La línea de estudios de ferroeléctricos involucra la investigación de los fenómenos físicos fundamentales y de las propiedades de nuevos materiales con potencial impacto tecnológico; en particular los ferroeléctricos en bulto y en películas delgadas que tienen aplicaciones en memorias dinámicas de computadora, memorias no-volátiles, detectores de IR, actuadores, dispositivos optoelectrónicos, MEM’s y otros dispositivos nanoestructurados. También involucra el estudio de los electrodos que pueden ser conductores transparentes, superconductores, etc. El tema de la interacción luz–materia tiene como propósito el estudio fundamental de fenómenos ópticos importantes para el estudio de materiales, en particular el proceso de ablación láser, tanto para el crecimiento de películas delgadas como para el estudio de la dinámica de gases de materiales vaporizados con láser y la generación de plasmas. Otra línea importante es la de la microscopía óptica de campo cercano, tanto como objeto de investigación en sí mismo así como herramienta para el estudio de materiales.

• Ferroelectricidad El estudio de los materiales ferroeléctricos en forma cerámica, en película delgada y nanoestructurados se centra en materiales que pueden ser considerados para posibles aplicaciones. Se estudian cerámicas de óxidos mixtos como, Pb-Zr-Ti (PZT), Ta-Bi-Sr (SBT), Ni-Sr-Ba (SBN), Pb-Ni-Mg (PMN), puros e impurificados. También se estudian materiales en donde coexisten la ferroelectricidad y el ferromagnetismo, como los óxidos Pb-Ni-Fe (PFN) y Tb-Mn (TMO). Los materiales ferroeléctricos son también piezoeléctricos y piroeléctricos, lo que amplía sus posibilidades de aplicación. Para las cerámicas, la investigación involucra desde la optimización de las técnicas de preparación, la determinación de propiedades estructurales, morfológicas, eléctricas, dieléctricas, ópticas, térmicas y químicas, así como la explicación de su comportamiento con base en modelos y teorías adecuadas. Se tiene interés en desarrollar técnicas novedosas de elaboración que mejoren los resultados y ahorren energía. La otra forma en la que se estudian estos materiales es en forma de películas delgadas, en las que se involucra a materiales nanoestructurados, es decir,

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capas de estos materiales cuyos espesores varían desde unos cuantos nanómetros hasta unos dos micrómetros. Esta es la forma en que lo demandan la mayoría de las aplicaciones, particularmente la microelectrónica. Las propiedades de los materiales ferroeléctricos son diferentes en bulto y en película delgada. La elaboración de películas delgadas se basa en técnicas de depósito como ablación láser, erosión iónica de radiofrecuencia (RF) y de corriente directa (DC), evaporación térmica y cañón de electrones así como técnicas de sol-gel y depósito por vapor químico. Se utilizan técnicas establecidas para la caracterización óptica, estructural, química y térmica (espectroscopías, microscopíass, difracción de rayos-X, análisis de Rutherford de electrones retrodispersados (RBS), espectroscopía de electrones de baja energía (EELS), calorimetría, etc.). La caracterización eléctrica y dieléctrica se lleva a cabo mediante electrómetros, medidores de altas resistencias y puentes de impedancias y la dieléctrica mediante un circuito tipo Sawyer-Tower y un sistema de caracterización ferroeléctrica que permite determinar polarización, campo coercitivo, envejecimiento, fatiga, pregrabado y corrientes de fuga. Participantes: J. Siqueiros, O. Raymond, M. de la Paz Cruz, J. Heiras, V. García, P. Casillas.

• Interacción luz-materia Se investigan nuevos materiales y sus propiedades ópticas utilizando la técnica de espectroscopía óptica de emisión. El estudio de plasmas es de suma importancia, tanto por la física fundamental involucrada como por sus implicaciones tecnológicas. Mediante plasmas es posible producir películas delgadas utilizando diferentes técnicas. Estos plasmas de laboratorio pueden ser estudiados diseñando experimentos dedicados a explorar algunas de sus propiedades específicas. Por otro lado, el estudio de plasmas astronómicos permite revelar las propiedades físicas de nebulosas gaseosas y galaxias. Existe un proyecto conjunto de investigación con el Instituto de Astronomía orientado al estudio de plasmas de laboratorio. A partir de las líneas espectrales del plasma, es posible determinar la densidad y temperatura electrónica de las diferentes especies que lo componen, de manera que se reconstruye la imagen del plasma y se tiene una buena idea de la distribución espacial de las especies. Esto permitirá proponer mejoras y una herramienta de control del depósito de capas delgadas y de cúmulos nanoestructurados. Se pretende realizar un estudio tridimensional del plasma, haciendo tomografía del mismo, con el objeto de modelar plasmas astrofísicos en el laboratorio, ver efectos de choque entre plasmas y ondas de choque. La instrumentación desarrollada es una herramienta muy poderosa que permite,

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además de analizar espectros bidimensionales de plasmas, capturar el espectro de emisión de materiales foto- y cátodo-luminiscentes. Instalada en un microscopio de barrido electrónico, permite estudiar muestras microscópicas, haciendo el comparativo ente la imagen producida por electrones secundarios y la imagen de luz a longitudes de onda seleccionadas. Las aplicaciones de estas ideas son ilimitadas, tanto en la física de materiales como en la medicina y otras áreas. Otro aspecto relevante del análisis de las propiedades ópticas de materiales es el empleo de un espectro por elipsometría para el control del depósito de películas superduras (BN, SiO2, Si3N4, y otras) tanto in situ como ex situ. Participantes: R. Machorro, V. García, P. Casillas.

Dentro de la línea de estudios de interacción luz-materia, consideramos que la microscopía óptica de campo cercano merece una mención aparte. En esta línea de investigación específica se busca recuperar, a través del estudio del campo electromagnético cercano, los detalles nanoscópicos de la superficie por la que se propaga una onda evanescente, información sólo disponible con ésta técnica. Para el campo cercano, a diferencia de otras microscopíass ópticas, no existe otro límite teórico de resolución que el principio de incertidumbre de Heisenberg y por tanto se presta para estudiar sistemas nanoestructurados. Los estudios de campo cercano son un tema novedoso abierto a la investigación tanto teórica como experimental. Los objetivos del grupo en esta línea de investigación son: desarrollar un microscopio de superresolución basado en la detección del campo cercano y el desarrollo de modelos teóricos que permitan convertir las señales detectadas por el instrumento en imágenes. Participante: M. Xiao Infraestructura

• Laboratorio de preparación de muestras con hornos controlados, balanzas analíticas, molino de bolas y prensa.

• Sistemas de depósito de películas delgadas por erosión iónica DC y RF, cañón de electrones y evaporación térmica en vacíos del orden de 10-6 Torr. Control automatizado del flujo o presiones parciales de dos gases como argón y oxígeno.

• Caracterización óptica: se cuenta con un espectroelipsómetro para trabajar in situ y otro para ex situ. También se cuenta con un reflectómetro y un espectrofotómetro UV-Vis.

• Se cuenta con un microscopio de fuerza atómica Q-Scope de Quesant, para topografía superficial de alta resolución.

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• Equipo de caracterización ferroeléctrica de cerámicas y películas delgadas (tecnología Radiant, modelos RT-66 y Vision). Medida ciclo de histéresis, fatiga y envejecimiento.

• Sistema automatizado de caracterización dieléctrica (Puente LCR HP4284). Análisis termoeléctrico y espectroscopia de impedancia para altas temperaturas en el intervalo de 20 Hz a 1MHz.

• Sistema automatizado para la caracterización por espectroscopia de impedancias de la firma Solartron con sistema criogénico usando He y N líquidos. Medidas desde 5 K hasta 600 K, y desde 1 µHz hasta 30 MHz.

• Prensa Hidráulica para Prensado en Caliente. • Electrómetro. Medidas de DC, piroelectricidad y corrientes de fuga. • Espectrógrafo de Plasma para la caracterización in situ de los procesos

de depósitos por plasma (PLD, erosión iónica DC y RF).

Físicoquímica de Nanomateriales Actualmente Fisicoquímica de Superficies El deterioro o la modificación de la superficie de los materiales es de importancia tecnológica mundial, como en los microcircuitos de las computadoras, o en el caso de fenómenos como la corrosión de los metales o la catálisis del petróleo, los cuales ocurren precisamente en la superficie debido a la fuerte interacción con el gas o el líquido que lo rodea. Para esto, es primordial determinar la composición química, la estructura atómica de la superficie, la ubicación específica de cada átomo y su relación con especies adsorbidas o depositadas sobre ella, así como las reacciones químicas que ocurren y que alteran de modo significativo sus propiedades. Los estudios se realizan mediante técnicas experimentales y teóricas del más alto nivel, tales como espectroscopía Auger de barrido (AES), fotoemisión por rayos X (XPS), fotoemisión por ultravioleta (UPS), microscopía de fuerza atómica y análisis de foto y cátodoluminiscencia. Objetivos El objetivo fundamental es el de generar conocimiento acerca de las propiedades de las superficies de los materiales sólidos dada la importancia que tiene la interacción de los átomos superficiales con el medio ambiente.

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Personal académico El personal académico del Departamento de Físicoquímica de Nanoestructuras estará formado por ocho investigadores, todos titulares (dos “C”, tres “B” y tres “A”) y un técnico académico titular “C”. Líneas de investigación Entre las principales líneas de investigación del departamento están:

• Recubrimientos sólidos • Materiales nanoestructurados • Materiales luminiscentes • Superconductividad y cálculos teóricos • Propiedades fisicoquímicas de nanopartículas y cúmulos de plata y oro • Semiconductores compuestos

Participantes: L. S. Cota, N. Bogdantchikova, J. A. Díaz, W. de la Cruz, G. Hirata, M. Farías, G. Soto, D. H. Galván, E. Sámano. Se estudian las propiedades físicas de aceros nitrurados, materiales irradiados, superconductores, catalizadores, películas duras, metales de transición, materiales luminiscentes, semiconductores compuestos, etc. Muchos de los materiales analizados son preparados en forma de películas delgadas en el mismo laboratorio utilizando diferentes técnicas, tales como ablación por láser pulsado, erosión iónica por radiofrecuencia y depósito por vapores químicos. Se varían parámetros como el grosor de la película, la temperatura de sustrato o la presión del gas de reacción, lo cual permite preparar toda una gama de materiales con diferentes concentraciones atómicas relativas y variadas propiedades cristalográficas. Entre los materiales de interés para el departamento debido a sus aplicaciones en la tecnología están los recubrimientos duros, los materiales luminiscentes, principalmente aquellos con emisión blanca, los semiconductores compuestos y los nitruros de los metales de transición. Asimismo, se estudian y analizan las propiedades fisicoquímicas de nanopartículas de plata utilizadas como bactericidas, donde se han obtenido resultados importantes y que actualmente son utilizados en algunos

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hospitales. También se realizan estudios sobre nanopartículas de oro como catalizador a temperatura ambiente, lo cual abre la oportunidad para hacer procesos químicos industriales con un considerable ahorro de energía y su impacto directo en la conservación en el medio ambiente. Por otro lado, se realizan estudios teóricos para la obtención de las propiedades ópticas de películas delgadas a partir de medidas de espectroscopías de pérdidas de energías por reflexión (REELS), así como también se estudian las propiedades eléctricas y magnéticas de sistemas cristalinos nanoestructurados, obtenidas mediante cálculos teóricos usando métodos computacionales de tipo amarre fuerte de Huckel extendido y ab initio Hartree-Fock con diferentes esquemas de correlación electrónica. Esto permite comparar entre los cálculos teóricos y los resultados experimentales para una mejor comprensión de los materiales estudiados. Otro objetivo importante es la formación de recursos humanos altamente capacitados para realizar investigación básica y aplicada en temas relacionados con la ciencia y la tecnología derivados del estudio de las superficies.

Infraestructura

• Microscopio Auger de Barrido PHI-595 (AES) • Espectrómetro de fotoelectrones de rayos X (XPS) • Sistema de Ablación Láser Riber LDM 32, con facilidades de XPS,

AES y RHEED • Láser de Excímero-UV, LPX 210 • Láser Nd-YAG • Láser He-Cd • Reactor Parr para preparación de muestras • Horno de alta temperatura tubular Lindberg • Cámara de cátodoluminiscencia • Espectofotómetro Hitachi F-4500 • Espectofotómetro Oriel 260I • Magnetómetro Maglab 2000 • Microscopio de fuerza atómica Nanoscope III • Reactor de CVD para crecimiento de películas delgadas

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• Espectrómetro simultáneo de plasma y emisión atómica por inducción acoplada

• Laboratorio de Simulación Computacional de Materiales (Beowulf Cluster)

Nanocatálisis Actualmente Catálisis Los catalizadores juegan un papel importante en varios procesos químicos relevantes, que contribuyen a mejorar la calidad de vida de los seres humanos, ya que estan asociados a la producción de combustibles limpios para transporte, la generación de electricidad, la disminución de emisiones de automóviles y la fabricación de plásticos y fibras sintéticas. La comprensión del funcionamiento de los catalizadores, así como la búsqueda de nuevos materiales catalíticos son temas actuales de la investigación científica en el mundo. Para sustentar el desarrollo de tecnología del siglo XXI se requiere de nuevos catalizadores diseñados a través de estudios científicos fundamentales. El fenómeno catalítico que surge a través de la interacción entre las moléculas de un compuesto químico y los arreglos atómicos de la superficie de un material, es un proceso a la nanoescala que involucra una serie de etapas, como la adsorción del reactivo, las reacciones en superficie, la difusión y la desorción de los productos. Este proceso complejo es optimizado a través de modificaciones de la nanoestructura del catalizador. El control de las etapas de reacción a través de un diseño adecuado de los nanocatalizadores, es uno de los campos con grandes probabilidades de generar innovaciones tecnológicas en este siglo. Objetivo El objetivo es la comprensión del papel de los nanocatalizadores en los procesos químicos, así como la búsqueda de nuevos materiales catalíticos con características innovadoras que permitan sustentar el desarrollo de tecnología. Las actividades principales de este departamento están dirigidas a la investigación experimental y teórica de nuevos materiales catalíticos, su caracterización y el análisis fisicoquímico de las reacciones. Además hay

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particular interés en la formación de recursos humanos de licenciatura y posgrado. Este departamento se caracteriza porque es interdisciplinario, pues agrupa especialistas de campos muy diversos. El objetivo común es el interés en el estudio de los fenómenos de superficies, en el papel de las interfaces entre diferentes materiales y en las nanoestructuras (fullerenos inórgánicos, cerámicas, compuestos poliméricos, biomateriales, etc.), así como en sus aplicaciones catalíticas. Es fundamental para este departamento hacer investigación orientada a la síntesis, caracterización y análisis de nuevos materiales nanoestructurados de interés en aplicaciones tecnológicas, que puedan contribuir al desarrollo regional y nacional. Personal académico El personal académico del Departamento de Nanocatálisis estará formado por cinco investigadores, todos titulares (dos “C”, uno “B” y dos “A”) y un técnico académico titular “A”. Líneas de investigación

• Síntesis, caracterización y evaluación de nanopartículas y nanoestructuras para protección ambiental

o Estudio del mecanismo de formación y la estabilidad de cúmulos de oro en zeolitas.

o Reducción de NOx y CO utilizando catalizadores de paladio. o Reducción de CO con catalizadores de Cu y Ni soportados en

mordenitas con relación Si/Al variable. o Remoción de S de las fracciones del petróleo con catalizadores

bimetálicos soportados (WS2, MoS2, Ni, Co y Fe). o Reacciones de hidrodenitrogenación de aminas. (WS2, MoS2,

Ni, Co y Fe). o Estudios cinéticos de procesos catalíticos ambientales.

Participantes: A. Simakov, S. Fuentes, V. Petranovskii, A. Olivas, F. Castillón, E. Flores.

• Nanocatalizadores para procesos de obtención de energía

o Reacción de reformación del metano (CH4 + CO2 = CO + H2.) en catalizadores de Pt y Ni depositados en óxidos mixtos, ZrO2 - La2O3.

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Participantes: A. Olivas, E. Flores. • Nanoestructuras para nanotecnología (nanolubricantes).

o Preparación y caracterización de Nanoestructuras Bimetálicas tipo Fulereno de Sulfuros de Metales de Transición.

Participantes: A. Olivas, S. Fuentes, E. Flores.

Infraestructura

• Un microreactor de flujo continuo, In-Situ Research & Instruments, modelo RIG-150HP, dedicado al estudio de reacciones a alta presión.

• Un equipo de termodesorción de especies adsorbidas. ALTAMIRA, modelo AMI-M.

• Un equipo de determinación de áreas superficiales por adsorción de nitrógeno, marca Micromeritics, modelo GEMINI 2360.

• Un espectrofotómetro de UV y Visible, Varian, modelo CARY-300 con accesorio de reflectancia difusa.

• Un equipo de análisis óptico Thermo Nicolet, modelo Nexos 670 incluyendo FTIR desde el lejano hasta el cercano IR y Raman, con celdas para tratamiento de muestras.

• Un reactor intermitente (batch) de alta presión, marca Parr de dos litros.

• Un microreactor de flujo contínuo de presión atmosférica. • Dos cromatógrafos de gases con detector de ionización de flama. Un

Varian, modelo 2700 y un Hewlet Packard 6890, ambos con integrador de señal.

• Material de laboratorio y hornos con programación de temperatura para la preparación de catalizadores.

• Estación de gases (H2, O2, N2, Aire, H2S, Ar, He, NO, CO, CO2, etc.). • Un microreactor de flujo continuo acoplado a un cromatógrafo de

gases con detector de conductividad, analizador de NO por IR y espectrómetro de masas para el estudio de mecanismos de reacción de NO y CO.

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Personal académico del CNNE El personal académico que laborará al inicio del Centro de Nanociencias y Nanotecnología, es el que labora actualmente en el CCMC y que está conformado por 34 investigadores (todos miembros del SNI), 29 titulares, 5 asociados y 5 posdoctorales; y 12 técnicos académicos (uno de ellos miembro del SNI): 9 titulares y 3 asociados. En los anexos se presenta la relación de los investigadores y técnicos académicos de este Centro, su nombramiento y nivel en el SNI; y la de los alumnos de posgrado, así como el seguimiento de los egresados.

Laboratorios y equipamiento

Para el desarrollo de sus investigaciones el CNNE va a contar con laboratorios de investigación equipados de acuerdo a la temática de sus líneas de investigación. Los laboratorios y la descripción de los principales equipos con que se cuenta son:

• Ablación láser, que cuenta con un equipo de análisis de superficies

RIBER, un láser de alta energía y un analizador óptico. • Materiales luminiscentes, con un espectrómetro Oriel equipado con

CCD, reactor de alta presión-alta, lámpara de Xe-Hg de 600 watts, láser pulsado de YAG:Nd, sistema de depósito de películas delgadas por ablación por laser asistido por resonancia electrónica por ciclotrón (ECR-PLD), cámara de depósito de películas delgadas de Erosión Iónica asistido por radiofrecuencia y DC, sistema de depósito de películas delgadas por el método de vapores organometálicos (MOCVD), hornos tubulares y muflas de alta temperatura.

• Catálisis ambiental, con un sorptómetro para la determinación de áreas superficiales, un equipo de termodesorción de especies adsorbidas, espectrofotómetros de ultravioleta-visible, infrarrojo con transformada de Fourier y Raman de sólidos, analizadores de gases por cromatografía y ultravioleta, espectrómetro de masas, microreactores de flujo contínuo para la evaluación de las propiedades catalíticas

• Microscopía electrónica, que cuenta con un microscopio de transmisión (TEM) con analizador de pérdidas de energía (PEELS) y

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uno de barrido (SEM) con analizador de dispersión de electrones (EDS), detector de electrones retrodispersados y catodoluminiscencia.

• Difracción de rayos-x, con cámara de tratamientos térmicos y análisis por haz rasante.

• Análisis de superficies, con equipos de espectroscopia de fotoelectrones (XPS), electrones Auger (AES), espectrofotómetro (SIMS) y un equipo de análisis químico por inducción de plasma.

• Microscopía de tunelamiento, con nanodispositivos y nanomanipuladores así como una cámara para estudios electroquímicos.

• Nanoindentación, con un equipo de microscopía de fuerza atómica. • Espectroscopías ópticas, elipsómetro y espectrógrafo para análisis de

plasmas transitorios. • Materiales ferroeléctricos, equipos para elaboración de cerámicas y

películas delgadas (ablación láser y espurreo catódico) así como equipo para la caracterización de sus propiedades de transporte electrónico.

• Materiales magnéticos, que cuenta con evaporadoras y equipos de medición de propiedades magnéticas.

Crecimiento del CNNE a corto plazo Se ha establecido contacto y se está elaborando un plan para la incorporación en el corto plazo (a más tardar en un año) de un grupo de investigadores (seis a ocho) del Instituto de Biotecnología, lidereados por el Dr. Rafael Vázquez Duhalt, que trabaja en el área de biocatálisis y quien vendría a reforzar las actividades del CNNE en el área de nanobiotecnología.

Formación de Recursos Humanos El CCMC participa en 3 programas de posgrado, reconocidos por CONACYT dentro del Padrón Nacional de posgrados (PNP): el posgrado en Física de Materiales CICESE-UNAM (PFM), el posgrado en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UNAM (PCeIM) y el posgrado en Ciencias Físicas de la UNAM (PCF).

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Al inicio de sus actividades el CNNE contará con 33 estudiantes de posgrado: 10 de Doctorado y 8 de Maestría en el Posgrado Física de Materiales, 3 de Doctorado y 9 de Maestría en el Posgrado en Ciencias e Ingeniería de Materiales y 1 Doctorado y 2 de Maestría en el Posgrado en Ciencias Físicas. El programa de posgrado en Física de Materiales, actualmente coordinado por la Dra. Laura Viana Castrillón, es el programa más antiguo y que ha aportado el mayor número de egresados. Este programa se inició a raíz de un convenio interinstitucional entre el CICESE (Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada) y la UNAM firmado en 1985 y a la fecha ha producido 74 doctores y 42 maestros en ciencias. Desde el inicio se han impartido 387 cursos, de los cuales 92 se impartieron en los últimos 5 años. Este posgrado ha ido evolucionando y ampliando los temas de investigación en que trabajan los alumnos, por lo que se ha iniciado el proceso de cambio de nombre a “Posgrado en Ciencia de Materiales”. El nuevo nombre nos permitirá ofrecer una nueva orientación en Fisicoquímica y se está planeando la inclusión de la orientación en nanociencias y nanotecnología.

Creación de la carrera de Ingeniería en Nanotecnología La creación de una licenciatura en Ingeniería en Nanotecnología, complementará nuestra función como Centro de Nanociencias y Nanotecnología. La visión de tener estudiantes de licenciatura en un Centro de esta naturaleza permitirá llevar el conocimiento en nanociencias y nanotecnología hacia la comprensión y aplicación de los fenómenos que ocurren a la nanoescala para transmitirlos a un mayor número de personas y, en su caso, al desarrollo de aplicaciones industriales. La nanociencia y la nanotecnología son las nuevas áreas del conocimiento que representan la entrada al siglo XXI. Diversas universidades importantes en el mundo comienzan a ofrecer programas de licenciatura en estas áreas, por lo que tanto el Rector como el Coordinador de la Investigación Científica de la UNAM, expresaron su interés en que desarrollemos una licenciatura en áreas afines a las de nuestras investigaciones.

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Objetivo El objetivo del proyecto es crear una licenciatura de excelencia a nivel nacional donde el factor académico será el elemento más importante a considerar. Buscaremos formar profesionistas preparados para incorporarse al campo laboral o para realizar estudios de posgrado en una amplia gama de disciplinas, que van desde algunos aspectos de medicina y catálisis, hasta nanotecnología, textiles, computación cuántica y física de materiales. La carrera será de carácter interdisciplinaria, enfatizando la integración de la ciencia, la ingeniería y las matemáticas en aplicaciones de carácter científico y tecnológico. El alumno será capaz de desarrollar habilidades para el trabajo a escalas nanométricas de simulación, diseño, síntesis, caracterización, manufactura, aplicaciones, ya que recibirá formación de los conceptos básicos de ciencias como matemáticas, física, química, ciencias de la computación y su aplicación para el desarrollo tecnológico. Se hará énfasis en el desarrollo de habilidades prácticas y experimentales, del pensamiento crítico, de la capacidad de expresión oral y escrita en español y en inglés y en el trabajo interdisciplinario en equipo.

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ANEXOS