LINEAS DE INVESTIGACION


LINEA 1: MATERIALES MAGNETICOS MOLECULARES, NANOESTRUCTURAS MAGNETICAS.

Los sistemas nanoestructurados magnéticos, tales como multicapas, nanopartículas y películas nanogranulares (dispersiones de partículas en matrices sólidas), han sido muy estudiados en los últimos años para indagar en dos mecanismos físicos que determinan la estabilidad térmica de nanoimanes (crucial para aumentar la densidad de almacenamiento magnético en discos duros) más allá de la influencia obvia de su tamaño: la interacción entre partículas (dipolar y/o RKKY en matrices metálicas) y el canje anisotrópico (exchange-bias) en nanopartículas con estructura core-shell (núcleo ferromagnético y corteza -o matrizantiferromagnético).

De manera complementaria, este segundo fenómeno también se investiga en geometría de multicapa, configuración en la que, de hecho, encuentra su mayor aplicación (válvulas de espín en cabezas lectoras). En particular, los grupos de Materiales Magnéticos de la UCLM y UPV, grupos cabe mencionar, muy destacados en el campo, tienen amplia experiencia en la preparación (por pulverización catódica (sputtering) y recientemente también con una “fuente de clusters” - cluster gun-) y caracterización de los materiales descritos a través de magnetometría SQUID, dispersión de rayos X y neutrones, y medida de propiedades magnetorresistivas. Asimismo también tienen amplia experiencia en el estudio de interacciones magnéticas en multicapas de metales de transición y tierras raras, por medio de medidas magnéticas, dispersión de rayos X y reflectometría de neutrones.

Por otra parte, diversos grupos de la Red también abordan el estudio y síntesis de los arreglos de nanohilos magnéticos multicapas, que son unas nanoestructuras prometedoras especialmente para la aplicación en magnetorresistencia gigante y magneto-impedancia gigante. En la actualidad los procesos de imanación de los arreglos de nanohilos están siendo investigados con el objetivo de comprender el modo de controlar y diseñar sus propiedades magnéticas.

Una de las principales ventajas de los materiales moleculares (Materiales magnéticos multifuncionales de carácter molecular) es su flexibilidad para optimizar mediante procedimientos químicos una determinada propiedad física así como para el diseño de materiales en los cuales dos o más propiedades físicas de interés coexisten, pudiendo incluso llegar a interaccionar entre ellas. En una gran parte de estos materiales el conseguir aumentar la anisotropía magnética de los centros magnéticos permitiría su uso en aplicaciones tecnológicas como memorias magnéticas a escala molecular, unidades lógicas de futuros ordenadores cuánticos o espintrónica. Para su estudio computacional ab initio, puesto que la anisotropía magnética es debida a efectos relativistas, es necesario emplear métodos innovadores que incluyan dichos efectos, métodos en los cuales los grupos presentes tienen una vasta experiencia (RASSISO, NEVPT2, QDMPT2).

La comprensión de las propiedades magnéticas de estos nuevos materiales (nanoestructuras), tanto desde un punto de vista básico como aplicado, requiere de un equilibrado balance entre el planteamiento de modelos teóricos y su validación experimental. Varios de los grupos trabajan intensivamente en la síntesis y caracterización de nuevos materiales con propiedades especiales en particular, durante los últimos años, en nanopartículas magnéticas y materiales nanoestructurados en forma de pelicula delgada. Todos los grupos no sólo abordan el aspecto experimental (para el cual disponemos de infraestructura y experiencia), sino que plantean diversos tipos de simulaciones para abordar algunos estudios particulares: Monte-Carlo (comportamiento magnético de manganitas), micromagnéticas (para nanopartículas y películas delgadas) y de elementos finitos (capacidad sensora de materiales).

LINEA 2: MATERIALES NANOESTRUCTURADOS AUTOSANABLES.

Nuestra Red germina también entorno a varias iniciativas FP7-Europeas, en las que están involucradas varios grupos de la Red, y en particular el coordinador de la propuesta (S.Cuesta / UBU), y que apuestan en los próximos años por materiales auto-regenerables con los que se espera cubrir múltiples aplicaciones en Ingeniería. En general, se trata de identificar nuevos materiales con capacidad de auto-regenerarse (self-healing) y que por ello presenten una superior resistencia a fenómenos extremos como el daño por radiación, que puedan operar a altas temperaturas o presiones en ambientes muy agresivos y que tengan propiedades mecánicas mejoradas. El objetivo final es entender los fenómenos de autoregeneración a todas las escalas, y en particular encontrar estrategias apropiadas para la optimización de las propiedades de sistemas compuestos de multicapas metálicas nanoestructuradas, propuestos como “self-healing materials”.

Los materiales de capas múltiples han tenido una historia muy larga entre las diversas nanoestructuras que han sido sintetizadas artificialmente por el hombre, con aplicaciones múltiples remarcables en dispositivos semiconductores, y multicapas magnéticas. El reconocimiento del potencial tecnológico que poseen este tipo de estructuras, es lo que por ejemplo, ha ayudado a los rápidos avances en áreas como la electrónica y la informática.

En particular, los composites metálicos nanoestructurados con multicapas (Nanoscale Metallic Multilayer Composites – NMMC) han generado un considerable interés científico en los últimos años, debido a sus excepcionales propiedades mecánicas, ya que tienen propiedades muy diferentes de los composites bulk tradicionales, resultado de la interacción entre las caras de las capas. A través de una cuidadosa selección y optimización de los materiales en capas (nanoescala) es posible lograr propiedades muy interesantes, como mejoras en la dureza, en la resistencia al desgaste o en la dureza y / o oxidación con sobrecarga. Por lo tanto, el diseño de nanomateriales NMMC, constituye una estrategia particularmente atractiva para el desarrollo de una nueva generación de materiales multifuncionales con un tremendo número de posibilidades industriales. El caso particular que proponemos y que se enmarca dentro del proyecto EU-FP7 RADINTERFACES en el que los grupos de la UBU y UNIOVI están involucrados, los materiales NMMC han demostrado comportarse como los materiales más prometedores para presentar resistencia a los mecanismos de daño estructural que producen condiciones extremas de radiación, como las presentes en la Industria nuclear y aeroespacial).

El estudio de NMMC, también se beneficia enormemente de la aproximación multiescala, la validación del enfoque computacional es posible por comparación de los resultados de las simulaciones con los de experimentos diseñados específicamente en materiales seleccionados que formen NMMC, como Cu-Nb, y que serán sintetizados mediante diversas técnicas, al tiempo que se caracterizan adecuadamente sus propiedades microestructurales y mecánicas. Con el fin de facilitar un intercambio continuo y fructífero de información entre las actuaciones teóricas y experimentales, la Red pretende priorizar un enfoque lo más racional posible en cuanto a la síntesis y caracterización de materiales NMMC. Una óptima combinación de las sinergias presentes entre los grupos teóricos y experimentales aquí propuestos permitirá indudablemente avanzar en la investigación de estos innovadores materiales de base nanotecnológica, con el objetivo confeso de garantizar su utilización en condiciones de operación realistas, en industrias tan diversas como la automoción, aeronáutica, nuclear, pesada, etc.

LINEA 3: PROPIEDADES FISICAS DE NANOESTRUCTURAS DE CARBONO: GRAFENO.

Las nanoestructuras de carbono (nanotubos, fullerenos, nanografenos, nanocintas, nanohilos) presentan una variedad de propiedades mecánicas, químicas, térmicas y electrónicas que las han convertido en uno de los campos de estudio más prometedores dentro de la nanotecnología tanto desde el punto de vista teórico como de las aplicaciones tecnológicas. De vital importancia para estas aplicaciones, es el estudio de las interacciones en nanoestructuras tanto de carbono como de otros materiales (en particular, en los últimos años grupos de la Red (UBU, Granada) han estudiado intensamente el problema de la separación de los haces de nanotubos y de la exfoliación de láminas de grafeno mediante moléculas surfactantes).

El grafeno tiene propiedades muy interesantes desde el punto de vista de Ciencia de Materiales, aun sin comprender totalmente sus orígenes, como alta conductividad térmica y eléctrica, resistencia a la radiación, elasticidad y dureza, muy ligero como la fibra de carbono, pero más flexible. Muy interesantemente, consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio. Pero quizás, lo que más llama la atención, son algunas propiedades peculiares desde el punto de vista teórico: como que presenta efecto Hall cuántico y que los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no quedarse aislados en zonas de las que no pueden salir. Muchas de las propiedades atribuidas al grafeno son debidas a su peculiar estructura de bandas que viene dada por electrones cuasi libres propagándose como partículas de Dirac sin masa, lo cuál ha abierto la posibilidad de probar efectos cuánticos relativistas en sistemas de materia condensada. Cabe mencionar que la paradoja de Klein ha sido experimentalmente confirmada en grafeno recientemente.

Además, se ha puesto de manifiesto cómo la interferencia entre componentes del paquete de onda de frecuencia positiva y negativa induce un movimiento altamente oscilatorio conocido como zitterbewegung (ZB) que aparece como oscilaciones rápidas de las partículas de Dirac libres alrededor de sus trayectorias rectilíneas promedio. Se ha establecido que el ZB puede tener influencia en el comportamiento no trivial de la conductividad en el grafeno. Recientemente el grupo de la Universidad de Granada, perteneciente a esta Red, ha estudiado la dinámica de la corriente electrónica en grafeno sujeto a un campo mostrando la aparición de varios tipos de periodicidades, cuando el paquete de onda que representa el electrón está localizado alrededor de un número cuántico suficientemente alto, observando a tiempos largos una regeneración del paquete de onda. El estudio anterior ha sido ampliado a paquetes de onda en puntos cuánticos de grafeno bajo la influencia de un campo magnético externo, encontrando en este caso también fenómenos de colapso y regeneración de la corriente eléctrica en el sistema. Como hemos señalado anteriormente, se ha establecido el tiempo de regeneración como un observable que muestra la rotura de degeneración de valle que ya ha sido señalado anteriormente como importante en espintrónica (aplicaciones en computación cuántica).

El estudio detallado de los fenómenos de regeneración en los puntos cuánticos ha llevado a la observación de discontinuidades esenciales en los periodos de regeneración y se ha establecido que estas discontinuidades se corresponden con transiciones de fase en este sistema. El objetivo fundamental a desarrollar es ver los efectos que los fenómenos de regeneración tienen sobre propiedades macroscópicas del sistema e intentar plasmar este estudio en posibles aplicaciones tecnológicas. Este tipo de sistemas también se va a beneficiar enormemente del enfoque aproximación multiescala – validación experimental que proponemos en la Red. Conjugaremos conocimientos de métodos de simulación ab initio con estudios de escalas superiores (Dinámica Molecular), en coordinación con medidas experimentales (neutrones, magnetometría SQUID, …)


© Advanced Materials, Nuclear Technology and Applied Nanotechnology Department. University of Burgos.

Authors: Santiago Cuesta López, Oscar Tapia Júdez, Ekhi Arroyo Fernández de Leceta.


Funding by Ministerio de Economía y Competitividad.


Reference: MAT2011-15800-E.

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