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http://dx.doi.org/10.22201/ceiich.24485691e.2016.17.58125 | 9(17), 7-23, julio–diciembre 2016

Cátalogo Nacional

Benemérita Universidad Autónoma de Puebla*

Ygnacio Martínez Laguna1, José Eduardo Espinosa Rosales2, José Ramón Eguibar Cuenca3, Ana Lilia González Ronquillo4, Martín Rodolfo Palomino Merino5, Heriberto Hernández Cocoletzi6, Javier Martínez Juárez7

1 Vicerrector de Investigación y Estudios de Posgrado. Correspondencia: (investigacion. viep@correo.buap.mx). Tel. (222) 229-5500 ext. 5737. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. Calle 4 Sur # 303, planta alta. Col. Centro. Puebla, Pue. C.P. 72000. México.

2 Director General de Divulgación. Correspondencia: (divulgacion.viep@correo.buap.mx).

3 Director General de Investigación.

4 Instituto de Física “Luis Rivera Terrazas”.

5 Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas.

6 Facultad de Ingeniería Química.

7 Centro de Investigación en Dispositivos Semicondunctuales, Instituto de Ciencias.


Resumen:

Las nanociencias tienen una larga tradición en la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP) y han sido cultivadas en distintas dependencias académicas como el Instituto de Ciencias, la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, la Facultad de Ciencias de la Electrónica, el Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”, la Facultad de Ingeniería, la Facultad de Ingeniería Química. En estas unidades académicas se diseñan nuevos materiales nanoestructurados, se evalúan sus propiedades ópticas, eléctricas, químicas el efecto de diferentes agentes dopantes sobre dichas propiedades valoradas mediante equipo de vanguardia. Los materiales con base en carbón y silicio ocupan un lugar importante entre las investigaciones que se desarrollan a los cuales se les evalúan distintas propiedades mediante pruebas que determinen sus posibles usos en diferentes campos del conocimiento. De manera importante los investigadores que desarrollan estas líneas de generación y aplicación del conocimiento son miembros tanto del padrón de investigadores BUAP, como del Sistema Nacional de Investigadores y están organizados en cuerpos académicos registrados en el Programa para el Desarrollo Profesional Docente (PRODEP) de la Secretaría de Educación Pública.

Es importante destacar que existen varios posgrados ligados a estos grupos de investigación, como son las maestrías y doctorados en ciencias de materiales, de física aplicada o en dispositivos semiconductores, además de las maestrías en ingeniería química y en ciencias de la electrónica. Estos resultados muestran que la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla es una institución con investigación de vanguardia en el campo de los materiales nanoestructurados y sus propiedades; así como sus posibles aplicaciones mediante la obtención de patentes y licenciamientos. Contamos con una infraestructura experimental moderna, pero que requiere incrementarse para estar al máximo nivel posible en Puebla y la región, para detonar la innovación e incentivar aún más nuestras relaciones con los sectores sociales e industrial.

Palabras clave: Nanotecnología, materiales, fotodifracción, nanoestructura, propiedades emergentes.

Abstract:

The Benemérita Universidad Autónoma of Puebla is one of the largest public and autonomous universities in México, and it had long tradition in the nanoscience field and the production of different kind of nanomaterials. The research groups involved are organized in a well-stablished research teams in the so called Cuerpos Académicos recognized by the Secretary of Public Education after a strict evaluation process by academic peers. Most of the nanoscience researchers are recognized by the National Research System.

The main areas that these researchers investigate are new nanomaterials using carbon, silicon as a base material and doping them with different compounds from single atoms such as: indium, tin, titanium, germanium among others; and even using organic materials to obtain materials with new properties such as solar cells or nanomaterials capable to adhere pollutants or using in bioremediation in soil, water and air using different solvents, including petroleum derivatives, diluting them and captured using nanostructures as catalytic converters.

All nanostructured materials are evaluated using photic, electrical and chemical new properties with the state of the art equipment. In these nanomaterials the new properties were evaluated as well as, their possible applications in biomedicine, engineering or chemical processes. Importantly, BUAP had more than 30 years working in this field and nowadays is a referent in nanoscience, nanomaterials and nanostructures in Puebla and the region. The experimental and theoretical work support a strong formation of students in undergraduate, as well as post-graduate studies including master in science and doctorate programs with a recognition by the National Program of Postgraduate’s Studies quality by CONACyT-México.

In conclusion, nanoscience is an important research field in the BUAP and it is in expansion adding innovation with multiple new applications in several fields such as biomedicine, materials and electronic devices. Our infrastructure is capable to improve innovation in several industrial fields in Puebla and the south-southeast region.

Keywords: Nanoscience, materials, nanotechnology, carbon, emerging properties.

Recibido: 27 de abril de 2016.
Aceptado: 5 de septiembre de 2016.


Introducción

La Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP) cuenta con 161 programas educativos, divididos en distintas Divisiones de Estudios Superiores (DES) como son las de Ciencias Sociales y Económico-Administrativas, Ciencias Exactas, Ciencias Naturales, Ingeniería y Tecnología, Ciencias de la Salud, y, Educación y Humanidades

El Instituto de Ciencias de la BUAP, la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, la Facultad de Ingeniería Química, el Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”, la Facultad de Ingeniería, la Facultad de Ciencias Químicas y la Facultad de Ciencias de la Electrónica realizan investigación básica o aplicada en áreas relacionadas con la nanociencia o la nanotecnología, destacándose la participación de los cuerpos académicos (CA) registrados ante el PRODEP de la Secretaría de Educación Pública en:

En la BUAP participan 75 investigadores de los distintos cuerpos académicos mencionados, los cuales llevan a cabo investigaciones o desarrollos tecnológicos en áreas relacionadas con las nanociencias o con la nanotecnología.

Investigación en nanotecnología de la BUAP

Los proyectos de investigación relacionados con las nanociencias se han cultivado desde la fundación en el año de 1950 de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas. Para 1972 un grupo de académicos, la mayoría docentes de esta escuela, decide formar un grupo de investigación en el área de Física de bajas temperaturas; y un poco tiempo después, es fundado el Instituto de Ciencias de la Universidad Autónoma de Puebla (ICUAP) crisol de los grupos de investigación en las diversas áreas del conocimiento.

El ICUAP es la unidad académica más añeja en labores de investigación en el campo; fundada desde 1974, con la finalidad de reorganizar, coordinar y promover de manera sistemática la investigación científica y hacer más eficientes los recursos con los que contaba en aquel momento la universidad. Es importante mencionar que al crearse el ICUAP, se logra aglutinar a muchos investigadores dispersos en distintas escuelas y facultades universitarias permitiendo reunir sus esfuerzos, sistematizar sus investigaciones, lo cual constituyó un parteaguas para la investigación al seno de la universidad.

El ICUAP tiene injerencia directa en actividades relacionadas con las nanociencias, en las siguientes dependencias:

En la BUAP las actividades de investigación se han detonado en las últimas décadas al punto de que, en la actualidad, no existe una escuela, facultad o instituto en donde no se registren actividades de investigación, contamos con un padrón institucional de 822 investigadores, de los cuales 542 pertenecen al Sistema Nacional de Investigadores, siendo líderes (niveles 2 y 3), uno de cada cuatro de los miembros del Sistema Nacional de Investigadores.

Líneas de investigación en nanociencias y nanotecnología

Diversas líneas de investigación en estas áreas son desarrolladas por investigadores de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, a continuación, tenemos una lista de proyectos llevados a cabo en el 2016:

Propiedades físicas de sistemas aperiódicos

Propiedades físicas ópticas, acústicas, de transporte de electrones etc. de sistemas aperiódicos. Respuesta óptica de cristales fotónicos deterministas aperiódicos unidimensionales y localización de radiación electromagnética (Saldaña et al., 2009).

Estudios de primeros principios de las propiedades de superficies y nanoestructuras semiconductoras

Estudios de las propiedades estructurales, electrónicas y ópticas de semiconductores compuestos. Formación de nanoestructuras en superficies semiconductoras y la formación de nanoestructuras de semiconductores. También se exploran monocapas, nanoalambres y nanotubos, y su interacción con moléculas orgánicas (Galicia et al., 2012).

Semiconductores nanoestructurados sobre plantillas de materiales porosos para celdas solares y materiales funcionales

Por electrodeposición se desarrollan: 1) nanoestructuras semiconductoras, basadas en CuInSe2, se busca modular su ancho de banda para un mejor aprovechamiento del espectro solar para su aplicación en celdas solares; nanoestructuras como amplificadores ópticos basados en matrices dieléctricas activados mediante dopado con lantánidos (De la Luz-Merino et al., 2015).

Estudio de materiales fotoactivos basados en silicio y sulfuros metálicos, y desarrollo de electrodos para baterías de litio

Fabricación y estudio de micro y nanoestructuras de silicio preparadas por combinaciones de grabado, para ser utilizadas como ánodos de alta capacidad de baterías de ion litio. Los ánodos obtenidos presentan capacidades más de 10 veces superiores a los ánodos convencionales Quiroga-González et al., 2013).

Síntesis de las nanopartículas de CuSbS2 y desarrollo de las películas delgadas a partir de su tinta/pasta para aplicaciones en celdas fotovoltaicas

Se aborda el procesamiento de celdas solares del tipo CdS/CuSbS2 desarrollando técnicas de depósito de películas delgadas que garanticen la obtención de celdas con valores de alta eficiencia y adecuados para la escala industrial (Yang et al., 2014).

Síntesis y caracterización de nanomateriales

Síntesis y caracterización de nanoestructuras con componentes metálicos, dieléctricos y semiconductores; para aplicaciones ambientales, de biosensado y distribución de fármacos (Castillo et al., 2014).

Modelado de las propiedades ópticas de sistemas a nanoescala

Estudios teóricos y numéricos de las propiedades plasmónicas de sistemas a nano escala y fenómenos relacionados (resonancia de plasmones, SERS, campo cercano y otros). Determinación de la reflectancia y transmitancia de monocapas con arreglos periódicos de nanoestructuras (González et al., 2007).

Cambios estructurales asociados a factores ambientales en celdas solares basadas en peroskitas de plomo-haluros y dióxido de titanio sensibilizado por tintes

Se estudian los cambios en la estructura local para celdas solares basadas en perosvkitas de plomo-haluros (PSC) y TiO2 sensibilizado por tintes (DSSC) debido a su exposición a factores ambientales (como humedad o vapor de agua) y el efecto en sus propiedades fotovoltaicas utilizando herramientas experimentales y teóricas, de esta forma proveer de un modelo que represente la cinética de portadores de carga en celdas solares DSSC y PSC (Villanueva-Cab et al., 2016).

Propagación de ondas en medios periódicos: cristales electrónicos, fotónicos y fonónicos

Se estudia la propagación de ondas electrónicas, electromagnéticas y elásticas en sistemas periódicos. Los cristales electrónicos se analizan usando métodos­ de primeros principios y semiempíricos. En el caso de los cristales fotónicos y fonónicos el estudio se realiza desde el punto de vista teórico y experimental. También se desarrollan teorías de homogeneización para estos últimos sistemas.

Fabricación y caracterización de novedosas matrices luminiscentes basadas en el ternario CdO-Cu-V2O5

Elaboración de materiales en matrices con propiedades luminiscentes novedosas y sus aplicaciones en distintos campos incluyendo el industrial (Lozada-Morales et al., 2012).

Estudio de plasmones asociados a nanopartículas en cristales fonónicos

Creación de nanopartículas en cristales fonónicos con características de plasmones para distintas aplicaciones e innovaciones (Ramos-Mendieta et al., 2014).

Síntesis y caracterización de materiales híbridos orgánico-inorgánico. Materiales óxidos en masa (volumen) y en película delgada crecidos mediante sol-gel

Se lleva a cabo síntesis de nanopartículas metálicas como dopantes para los diversos tipos de materiales híbridos orgánico-inorgánico (Zou et al., 2014).

Síntesis y caracterización de nanopartículas cerámicas

Síntesis y caracterización de nanopartículas cerámicas (ZnO, hidroxiapatita, grafeno, titania, etc) con morfología controlada a través de rutas como sol-gel, precipitación hidrotermal asistido por microondas. Las aplicaciones se centran principalmente en fotocatálisis, liberación controlada de fármacos y obtención de recubrimientos polímero-cerámica de matriz polimérica con propiedades antibacteriales, anticorrosivas y resistentes al desgaste (González-Rivera et al., 2016; Reyes-Cervantes et al., 2016).

Diseño de materiales compósitos nanoestructurados con porosidad controlada para aplicaciones medioambientales

Estudio teórico-computacional de nanoestructuras, se estudian las propiedades electrónicas y estructurales de nanoestructuras principalmente en dos dimensiones, con el fin de investigar su posible aplicación en la adsorción de moléculas y para la deliberación controlada de fármacos (Chigo-Anota et al., 2015).

Síntesis, caracterización y evaluación de TiO2 dopado con nanopartículas de plata para la degradación de azul de metileno

Descripción: Se realiza la síntesis de nanopartículas metálicas empleando copolímeros tribloque, además de la biosíntesis de nanopartículas metálicas y se lleva a cabo su caracterización estructural y reológica (Tepale et al., 2016).

Obtención de materiales funcionales avanzados nanoestructurados para el desarrollo de aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos, en procesos catalíticos y en generación de energía

Obtención de energía por métodos alternativos a los tradicionales y coadyuvar en la remediación del medio ambiente mediante procesos fotocatíticos, todo ello utilizando semiconductores y materiales nanoestructurados híbridos funcionalizados o sin funcionalizar (Ha Thi Vuet al., 2012).

Fabricación de películas de alúmina porosa anodizada para aplicación como sustratos de crecimiento de nanotubos de carbono

Se obtienen poros muy ordenados en alúmina porosa anodizada para utilizarlos en la fabricación de nanotubos de carbono. Se realiza un estudio sistemático de los parámetros de fabricación de la alúmina porosa. Se utilizará el níquel como catalizador depositado también por anodización (Nazemi et al., 2014).

Investigación de los efectos de la radiación en las propiedades fotoeléctricas y fotovoltaicas de nanoestructuras de óxidos semiconductores

Estudiar experimentalmente los efectos de la radiación electromagnética sobre las propiedades de conducción en nanoestructuras de óxidos semiconductores. El método de obtención de los materiales será por spray pirolisis (Luna López et al., 2014).

Uso de la sonoquímica para la preparación de nanomateriales: TiO2 y ZnO

Este proyecto se enfoca a preparar estos materiales nanométricos principalmente óxidos metálicos semiconductores, usando un procesador ultrasónico con el objetivo de estudiar sus propiedades para su aplicación en el área ambiental y de la salud (Pokhrel et al., 2016).

La creación de un centro multidisciplinario en nanociencias

Un objetivo a lograr a más tardar en el 2017 es la creación de un centro que aglutine los esfuerzos antes expuestos, permita compartir los equipos con que se cuenta y, sobre todo, crear proyectos de alta envergadura para poder acceder a equipos de vanguardia que permitan consolidar lo hecho hasta ahora y aspirar a mejorar en las publicaciones en revistas internacionales, arbitradas e indexadas, obtención de patentes y licenciamientos y a la formación de recursos humanos con una formación sólida y con un gran impacto en el corto plazo en la innovación.

Colaboraciones

Los distintos cuerpos académicos que participan en los proyectos de nanociencias tienen distintos convenios de colaboración con Instituciones e investigadores tanto nacionales como internacionales destacándose los siguientes:

El Instituto de Ciencias de la BUAP mantiene convenios de colaboración con el Centro de Investigación en Materiales Avanzados, Monterrey, Nuevo León; con el Centro de Investigación en óptica de León, Guanajuato; Centro de Investigación en Química Aplicada en Saltillo, Coahuila; con la Universidad Autónoma de San Luis Potosí; con la Universidad de McGill, Canadá; con la Universidad Carlos III de Madrid, España; y con la Universidad Industrial de Santander, en Bucaramanga, Colombia.

La Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas con la Universidad de Sonora; CINVESTAV del IPN de la ciudad de México; con el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) en Juriquilla, Querétaro; con el Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM; con el Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada (CICATA) de la UNAM campus Querétaro; y con el Instituto de Física de la UNAM.

El Centro Universitario de Vinculación y Transferencia de Tecnología mantiene colaboraciones con el Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada (CFATA) de la UNAM; con la Universidad de Guanajuato; con el Instituto de Investigaciones Nucleares (ININ); con el CINVESTAV campus Querétaro; con la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo; y con el Instituto Tecnológico de Zacatepec, Morelos.

La Facultad de Ingeniería Química tiene relaciones de colaboración con el Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo tecnológico (CCADET) de la UNAM; con el Instituto de Geofísica de la UNAM; con la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE) del Instituto Politécnico Nacional; con el Instituto Tecnológico de Puebla; con el Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos Valencia, España; con la Universidad de Guadalajara; Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM, en su campus Ensenada, Baja California.

El Instituto de Física “Luis Rivera Terrazas” tiene proyectos de colabo­ ración con la Universidad Politécnica de Valencia, España; con la Escuela Superior­ de Físico-Matemáticas del Instituto Politécnico Nacional; con el CINVESTAV del Instituto Politécnico Nacional, campus Zacatenco, Ciudad de México; con la Universidad de Delaware Estados Unidos de América; con la Universidad Politécnica de Valencia, España; con la Universidad Autónoma de San Luis Potosí; con la Universidad de California en San Diego, Estados Unidos de América; con la Universidad Politécnica de Madrid, España, con el Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas (CIICAP), con la Universidad Autónoma de Morelos; con Sogang, Universidad de Seúl, Corea del Sur; con el Instituto de Tecnología de la India, Roorkee, India; con el Departamento de Investigación en Física de la Universidad de Sonora; con la Universidad de las Américas-Puebla (UDLA-P); con el CINVESTAV campus Mérida, Yucatán; con el Instituto de Energías Renovables de la UNAM, campus Temixco, Estado de México; con el Departamento de Química, de la Universidad de Seúl, Corea del Sur; con la Universidad de Kiel, Alemania, con la Universidad Autónoma de Nuevo León; con la Universidad Autónoma de San Luis Potosí; con el Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid; con el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, España; con la Universidad del Norte de Texas, Denton Estados Unidos de América; con el Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México; con la Universidad Autónoma de Campeche; con la Universidad Autónoma de Coahuila; y con la Universidad de Saarland en Saarbruecken, Alemania.

La Facultad de Ingeniería tiene convenios de colaboración con la Universidad de Virginia del Este en los Estados Unidos de América. Mientras que la Facultad de Ciencias Químicas colabora con la Universidad Autónoma Metropolitana campus Iztapalapa y campus Xochimilco; con el Instituto de Investigaciones Nucleares; con el Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México; y con el Instituto Mexicano del Petróleo.

Infraestructura

Las distintas unidades académicas de la BUAP cuentan con equipamiento que permite desarrollar tareas de investigación de vanguardia, el siguiente es un listado de los equipos más importantes y su ubicación.

Instituto de Ciencias

Figura 1. Equipo de emisión de campo y microscopía electrónica de barrido (Field Emission-Scanning Electron Microscopy (FE-SEM), Marca Jeol, modelo JSM-7800F.

Este equipo permite observar morfologías con una magnificación de hasta 1 000 000X con una resolución de menos de 1nm. Laboratorio de análisis de superficies.

Responsable: Dr. Rutilo Silva, Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”.

Figura 2.Equipo de difracción de rayos X con radiación de cobre (Cu), marca Panalytical modelo Empyrean.

Con este equipo se pueden realizar experimentos en modo reflexión o transmisión el cual se ubica en el Laboratorio de Difracción de Rayos X del Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”.

Responsables: Dra. Ma. Eugenia Mendoza, Ing. Leonel San Román.

Figura 3. Equipo Nanolog Horiba JOBIN YVON.

Éste es un equipo de fluorescencia con una resolución temporal alta, y con barridos desde 180 hasta 1,200 nm. Medida de tiempos de vida en el orden de nanosegundos. Laboratorio de fluorescencia resuelta en tiempo.

Responsable: Dr. Antonio Méndez Blas, Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”.

Centro Universitario de Vinculación y Transferencia de Tecnología

Facultad de Ingeniería Química

Figura 4. Equipo PPMS Dyna Cool-9.

Éste es un sistema de medición de propiedades eléctricas y magnéticas de nanomateriales.

Responsables: Dr. Umapada Pal, Dra. Ma. Eunice de Anda Reyes, Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”.

Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”

Figura 5. Equipo de Micro Raman marca Horiba, modelo LabRAM HR.

Este equipo permite medir modos vibracionales, rotacionales u otros modos de baja frecuencia, para muestras en estado sólido (polvos, pastillas, cristales, etc.) o en solución. Cuenta con un láser de He-Ne en 632.8 nm de longitud de onda, objetivos de Microscopio Olympic a 10x, 50x y 100x, así como con una platina automatizada para realizar muestreos.

Responsable: M. en C. Laura Serrano, Laboratorio Central.

Facultad de Ciencias Químicas

Por último, el Laboratorio Nacional de Súpercómputo es una herramienta fundamental para realizar cálculos, simulaciones y creación de algoritmos para el diseño de nuevos materiales y modelar sus propiedades.

Conclusiones

El área de las nanociencias y nanotecnolgía en la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla es un eje fundamental para el desarrollo de la ciencia básica para las nanociencias y sus aplicaciones. Su desarrollo y fortalecimiento es una prioridad dado que somos parte del clúster automotriz de la meseta central de México y con opciones de ampliación a la industria aeroespacial, mecatrónica, moletrónica y automatización. El arribo de Audi a San José Chiapa ha ampliado nuestra influencia a las cercanías de los estados de Tlaxcala e Hidalgo lo que seguramente potenciará el desarrollo en las nanociencias. La creación de un centro multidisciplinario en nanotecnología por parte de la Vicerrectoría de Investigación y Estudios de Posgrado permitirá reunir esfuerzos de los investigadores, consolidar los posgrados existentes y la creación de nuevos, y lo más importante es que acercará a la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla al sector industrial y sobre todo lograr que los empresarios vean en la ciencia, en particular la nanotecnología, una opción viable para la resolución de sus problemas y desarrollo de materiales a escala nanométrica y con alto valor agregado.

Referencias


Nota

* Agradecemos la valiosa colaboración de los doctores Gregorio Hernández Cocoletzi, Ana Lilia González Ronquillo, Martín Rodolfo Palomino Merino, Umapada Pal, Heriberto Hernández Cocoletzi, Efraín Rubio Rosas, Javier Martínez Juárez, Alfred Zehe y Aracelí Ramírez, quienes realizan el trabajo sobre nanoteconología en las distintas unidades académicas de la Institución.