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Biblioteca de la Universidad Complutense de Madrid

Lunes, 16 de diciembre de 2019

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Óptica con propiedades a la carta, primeros resultados del Doctorado Industrial

Germán Alcalá, profesor titular en el área de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica en la Facultad de Ciencias Químicas de la UCM, y la doctoranda Sandra Muñoz Piña, están detrás de un nuevo método para fabricar nanoestructuras porosas para aplicaciones ópticas, con mejores y personalizadas propiedades. Alcalá es el investigador principal de uno de los proyectos de Doctorado Industrial financiados por la Comunidad de Madrid en su primera convocatoria, en el que la estudiante realiza un proyecto en colaboración directa con la empresa Nano4Energy, que se dedica a la producción y desarrollo de recubrimientos mediante técnicas de deposición física en fase vapor. En concreto, la doctoranda ha puesto en marcha en la empresa un reactor para producir las nanoestructuras que se quieren desarrollar, y que en tan sólo diez meses de actividad ya está completamente operativo y ha dado lugar a la primera publicación científica

 

Sandra Muñoz Piña está realizando su Doctorado Industrial entre el laboratorio de la Facultad de Químicas, el de la empresa Nano4Energy, que es una spin-off del CSIC, y con la codirección de un grupo de investigación del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla. El objetivo principal del proyecto es generar nanoestructuras para aplicaciones en óptica de todo tipo, desde lentes de gafas a pantallas táctiles, células fotovoltaicas o lentes de cámaras de fotos. Y para ello buscan recubrimientos que sean antirreflejantes en todas las direcciones del espacio.

 

Germán Alcalá explica que "hasta ahora esto se intentaba hacer con un gradiente de composición, aunque eso es algo relativamente difícil de controlar, sobre todo en distancias tan pequeñas como las de la nanoescala". La novedad del proyecto actual, y "esto es lo que no se había hecho nunca", es que se hace con una composición constante, pero cambiando la porosidad del recubrimiento, "es decir, se consigue jugar con el gradiente de porosidad en la profundidad, lo que da lugar a un gradiente de propiedades ópticas".

 

Añade Muñoz Piña que la ventaja principal frente a otros sistemas es que se pueden controlar las propiedades ópticas sin cambiar la composición del recubrimiento, y además se hace con técnicas que ya se utilizan mucho en la industria, así que es de implementación relativamente fácil. En cuanto al coste, lo que encarece la técnica es el tamaño del reactor, pero "para lentes ópticas por ejemplo no hace falta tener una superficie tremendamente grande, así que no es caro para los costes de producción de una empresa, no es un coste adicional a lo que ya están haciendo".

 

Inclinación del sustrato

El reactor en sí que se utiliza en este proyecto no es algo novedoso, porque ya se usan en la industria para fabricar muchos tipos de recubrimientos, lo que sí es nuevo es que el equipo de la UCM está "trabajando con un ángulo rasante, de tal manera que la deposición se hace con una inclinación del sustrato, de tal manera que los átomos llegan con una inclinación concreta y eso da lugar a estructuras porosas, y controlando ese ángulo de inclinación, se controla la porosidad de la película". Muñoz Piña explica que el método clásico es perpendicular, pero se ha visto, ya con la colaboración con grupos de Sevilla y Cádiz, que simplemente variando la geometría se puede jugar con la nanoestructura.

 

El primer trabajo que se ha publicado a raíz de este doctorado expone los procesos de agregación atómica en superficies rugosas, y "saldrá en la portada del número de febrero en la revista Plasma Processes and Polymers, que es una de las revistas de referencia internacional en procesos con plasmas". En el artículo, se explica tanto la técnica de ángulo oblicuo como la modificación de la superficie de partida, porque se ha visto cómo la generación de una rugosidad controlada afecta al crecimiento de la película y a las propiedades de la nanoestructura porosa.

 

German Alcalá informa de que el editor pidió también que escribiesen una reseña de divulgación para la revista Advanced Science News, que se publicará en breve.

 

Un paso más allá en la investigación

En los escasos diez meses que lleva el proyecto en marcha, Muñoz Piña ha puesto a funcionar el reactor en la empresa, que ya está fabricando muestras, que aparte de ser caracterizadas ópticamente habrá que caracterizarlas mecánicamente para comprobar, por ejemplo, que no se dañan en contacto con la atmósfera. Para ello, a finales de enero, el profesor Alcalá hará un viaje a París, para hacer estudios nanomecánicos de los recubrimientos en una empresa estadounidense que se dedica a fabricar equipamiento para hacer ese tipo de estudios.

 

Explica el profesor complutense que el tema del análisis nanomecánico es bastante desconocido. De acuerdo con él, "la mayor parte de los investigadores que trabajan en nanomateriales conocen las microdurezas que están muy extendidas en la industria y se utilizan para analizar las propiedades nanomecánicas de películas, pero a escala nanométrica no son útiles, porque hacen falta equipos mucho más sensibles". Informa de que hay equipos comerciales como algunos ingleses, uno australiano y dos de empresas americanas, que son con las que trabaja Alcalá desde hace más de quince años.

 

Aparte de esos análisis nanomecánicos, otra parte del proyecto consiste en asegurarse de que las condiciones ambientales, como la humedad, no afectan a los recubrimientos, porque "en la porosidad podría meterse humedad, debido al vapor que hay siempre en la atmósfera". Los investigadores han planificado ya una estrategia para evitar que eso pueda ocurrir.

 

En otra línea de trabajo, se está viendo también qué ocurre cuando se utilizan diferentes sustratos, entre los que se encuentran los polímeros en los que también han conseguido generar una cierta rugosidad para crear cavidades internas a escala nanométrica. Eso se podría utilizar, por ejemplo, para "introducir algún tipo de medicación que luego sea liberada en el cuerpo, por ejemplo en prótesis o en operaciones del aparato digestivo donde se usan mallas de materiales poliméricos". Asegura el profesor complutense, que los primeros resultados de esta línea son muy prometedores, y dejan ver que esta nueva técnica abre un abanico de posibilidades enorme.

Doctorado Industrial

Sandra Muñoz Piña cuenta que estudió Químicas en la Complutense e hizo su TFG con Germán Alcalá. Como se quería especializar en Materiales, se fue a hacer un máster en la universidad francesa de Montpellier, y tras terminarlo vio la convocatoria de la Comunidad de Madrid de Doctorados Industriales, algo que comunicó al profesor de la UCM, quien "movió los hilos, contactó con la empresa, se presentó y se lo concedieron".

 

Aclara Alcalá que "las ayudas para doctorados industriales han nacido como una forma de financiación para la formación de una adecuada cantera de talento que tenga en cuenta las necesidades que existen en las empresas, como agentes estratégicos que son del sistema español de I+D+i". Los proyectos de Doctorado Industrial son proyectos de investigación que suponen una colaboración efectiva entre una empresa y un organismo de investigación.

 

Informa Alcalá de que "la Complutense ha obtenido ocho proyectos de Doctorado Industrial, de los cuales cuatro están en la Facultad de Químicas, y tres de ellos en el Departamento de Ingeniería Química y de Materiales" al que pertenecen él y Muñoz Piña.

 

La doctoranda reconoce que está encantada de trabajar directamente con la empresa porque "se ve la aplicación de lo que se hace, algo que no ocurre cuando se está estudiando. Se aprende mucho y se ve para qué sirve lo que se hace, que es algo que quizás falta un poco durante los estudios, donde falta esa motivación de conocer las aplicaciones de las cosas que les interesan a los estudiantes".

 

Germán Alcalá considera, desde su experiencia, que "vamos un poco atrasados en ese sentido con respecto a los países anglosajones, donde la empresa ya está muy involucrada con todos los proyectos de doctorado, cofinanciando e interesándose por lo que se hace". Aquí, en España, está empezando a hacerse ahora, porque a raíz de esta convocatoria de Doctorados Industriales de la Comunidad de Madrid ha habido una también a nivel nacional, algo que "es fundamental por muchos motivos, para conectar a los estudiantes con la realidad y, para ver qué necesita realmente la sociedad, aunque también es cierto que en España hay poca industria que tenga interés en hacer los desarrollos". Considera Alcalá que "hay potencial para hacerlo, pero hace falta un interés real por parte de la industria para desarrollar algo nuevo y querer hacer negocio con ese desarrollo".

 

La convocatoria de la Comunidad de Madrid cubre el grueso del salario del estudiante  a lo que se suma una dotación para investigación en la universidad, que depende del proyecto planteado, con un tope de 30.000 euros al año, que "no es mucho, pero te da juego a hacer determinadas cosas". De todos modos, "hay un problema a la hora de organizar ese dinero, porque tiene algunos límites, por ejemplo, en gastos de viajes, y otras restricciones en cuanto a algunas partidas que resultan más limitadas".

 

La doctoranda añade que es una beca de tres años, prorrogable a un cuarto para presentar la tesis, y que en ese último año quizás puede estar financiado por la propia empresa o por otros proyectos que le salgan al grupo de investigación de la universidad.

 

Germán Alcalá y Sandra Muñoz Piña, en la Facultad de Ciencias QuímicasEl responsable del laboratorio de la empresa Nano4Energy posa en esas instalaciones junto a Sandra Muñoz Piña y Germán AlcaláImagen de un magnetrón, utilizado en la investigación de Germán Alcalá y Sandra Muñoz PiñaGermán Alcalá, profesor titular en el área de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica en la Facultad de Ciencias Químicas de la UCMSandra Muñoz Piña, doctoranda de la primera convocatoria del Doctorado Industrial, financiado por la Comunidad de MadridDescripción gráfica del proceso de deposición y agregación atómica que da lugar a las estructuras nanoporosas
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