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HACIA DONDE VA LA CIENCIA EN MÉXICO Materiales

Ana Martínez Vázquez

David Ríos Jara

Jesús González Hernández

Coordinadores

INTRODUCCIÓN

Los materiales incluyen todo aquello de lo que se encuentra hecho el universo, por lo que su variedad es muy amplia. En particular, la ciencia e ingeniería de materiales estudia cualquier materia, en cualquier estado de agregación, y trata de utilizarla con algún propósito premeditado. En otras palabras, busca darle una utilidad intencional a una porción de materia. Los materiales, tales como los metales, los cerámicos, los plásticos, entre otros, han sido siempre importantes para la sociedad porque los utilizamos para sobrevivir e incrementar nuestro bienestar. En la economía de México los materiales representan una pieza determinante. Por ejemplo, la industria manufacturera es uno de los indicadores de progreso de una nación, y se define por el INEGI como aquélla que abarca las actividades dedicadas a la transformación mecánica, física o química de materiales con el fin de obtener productos nuevos. En la Industria de la construcción también se utilizan los materiales como un indicador económico, ya que su crecimiento implica un aumento en la demanda de materiales como tubos y postes de hierro y acero, estructuras metálicas, artículos de plástico reforzado, cemento, concreto y cables de conducción eléctrica. Como una parte importante de la economía está la minería, una actividad directamente relacionada con los materiales ya que se refiere a procesos de extracción de petróleo, de gas, de minerales metálicos y no metálicos, y de explotación de canteras. Debido a su relevancia económica, la ciencia e ingeniería de materiales tiene un papel estratégico en el país, y por lo mismo enfrenta importantes retos. En esta mesa redonda nos enfocamos en el desafío que representa el generar materiales que contribuyan a la sustentabilidad. Los materiales, todos, antes o después, terminan siendo parte de la basura. La basura será en un futuro no muy lejano una mayor fuente de riqueza porque será ahí donde se encontrarán las materias primas necesarias para hacer nuevos materiales. Con lo que se sabe hoy día podemos decir que el único material que se terminará en un futuro es el petróleo, porque en su mayoría se quema para obtener energía y sólo una pequeña parte se utiliza para hacer plásticos, medicinas, ropa y muchos otros materiales. Salvo ese, todos los demás los estamos utilizando y desechando, y se están acumulando como basura.

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Esta situación ofrece un área de oportunidad para la ciencia e ingeniería de materiales, que se espera aprovechar a través del tema de materiales para la sustentabilidad. Así, una importante área en la ciencia e ingeniería de materiales es la sustentabilidad. La mayoría de los materiales, cuando terminan su vida útil, se convierten en basura o en desechos cuando lo que se hace con ellos es quemarlos para obtener energía. Es por eso que los que nos dedicamos a los materiales tenemos una gran responsabilidad. Sabiendo que el desarrollo sustentable se refiere al desarrollo económico y social que satisface las necesidades del presente sin comprometer la posibilidad de las futuras generaciones de satisfacer las suyas, es claro que la ciencia e ingeniería de materiales puede contribuir en gran medida con ese propósito. A nivel mundial existe un enorme esfuerzo en realizar acciones que lleven a la sustentabilidad. Los cinco grandes temas que pueden identificarse en este sentido se relacionan con:

- la escasez de materiales y el avance hacia desarrollos sustentables obliga a desarrollar métodos eficientes de reciclaje, de evaluación del ciclo de vida, y de evaluación de la toxicidad de los materiales poliméricos; en particular es importante el desarrollo de nuevos productos y nuevas tecnologías a partir de los polímeros ya utilizados, para lo cual hay que realizar estudio que permitan establecer correlaciones de tipo estructura-propiedades- desempeño, considerando que la tendencia actual en el área de polímeros evita la síntesis de nuevos polímeros; aunado a esto se encuentra una ventana de oportunidad en el estudio de verdaderos procesos de degradación y despolimerización de materiales poliméricos, los cuales representan una importante fuente de contaminación;

- el estudio de la síntesis, la estructura y la reactividad de las zeolitas, de los compuestos zeolíticos y de las redes órgano metálicas debe conducir a descubrir nuevos materiales porosos adecuados a los requerimientos petroquímicos, ecológicos y energéticos del mundo actual; que deberán ser materiales micro, meso y macro porosos con una alta versatilidad estructural y una gran diversidad de centros activos; además deben ser sistemas que tengan tanto la capacidad de transformar moléculas complejas como la de almacenar gases y separarlos, ya sean de interés, como el hidrógeno, o contaminantes, como el anhídrido carbónico;

- fortalecer la petroquímica, lo que se traduce en tener un programa a largo plazo

de modernización tecnológica de sus instalaciones (aumentar la escala de producción y modernizar un buen número de plantas para hacerlas más competitivas y rentables; modificar algunos procesos (como el del propileno en Morelos) para producir otros polímeros de mayor calidad y valor; trasladar y concentrar algunas plantas para hacerlas más rentables; cerrar plantas con muy baja viabilidad económica; instalar nuevas plantas de etileno con base en la pirólisis de pentanos y naftas para abrir el abanico de productos y aumentar la

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disponibilidad de olefinas y aromáticos) y de los procesos de extracción que incluyan tecnologías sobre recuperación mejorada de petróleo utilizando tensoactivos;desarrollar materiales fotocatalíticos para mejorar y limpiar el medio ambiente, hacer tratamiento de agua, y utilizarlos como reactores solares; existe una gran ventana de oportunidad, sobre todo para nuestro país que cuenta con una posición privilegiada en el globo terráqueo en la que recibimos radiación solar;

- crear materiales para la producción de energías renovables, que incluye dispositivos eficientes de almacenamiento.

Para que los materiales sean sustentables tenemos que lograr que nos permitan satisfacer todas nuestras necesidades actuales sin comprometer las del futuro. En este sentido cualquier material puede serlo. En esta mesa redonda se presentaron todo tipo de materiales y a todos ellos se les miró como sustentables, porque a todos ellos se les puede reciclar, reutilizar o convertir nuevamente en materia prima. En cada una de las ponencias se explicó la forma en que los materiales, además, contribuyen a la mejora del medio ambiente quitando contaminantes o contribuyendo a la obtención de energías renovables. Incluso el petróleo puede verse como un material sustentable si se mira y se utiliza con ese enfoque. Tratando de llegar a un desarrollo sustentable en el campo de los materiales, hoy las normas y procedimientos establecen la importancia del ciclo de vida de los materiales, que va desde la extracción de la materia prima y la obtención y comercialización de productos de alto valor agregado, hasta el destino final del material. El reto en la ciencia e ingeniería de materiales es, desde el punto de vista de los participantes, que el ciclo de vida de los materiales no termine en desechos, es hacer que los materiales vuelvan a utilizarse y no terminen, como sucede hoy en día, engrosando los basureros. PROPUESTAS DE APLICACIÓN PARTICULAR AL ÁMBITO DE LA CIENCIA DE MATERIALES EN MÉXICO En otro orden de ideas, la ciencia de materiales puede caminar por distintos temas para buscar diversas aplicaciones. Algunas propuestas considerando los diferentes sectores productivos nacionales y tomando en cuenta la viabilidad (en función de capacidades actuales del país tanto en infraestructura humana como física, nivel de competencia internacional, etcétera), el impacto económico y el impacto social, se pueden enumerar los materiales y sus aplicaciones como sigue: PELÍCULAS DELGADAS / RECUBRIMIENTOS: Las condiciones de trabajo y operación a la que están sujetas piezas y equipos de diverso tipo requieren de su protección por medio de recubrimientos. Un caso de particular interés en la industria aeronáutica lo constituyen las barreras térmicas protectoras (Thermal Barrier Coatings) y los recubrimientos anticorrosivos y de protección al desgaste erosivo. Los primeros de estos se usan para proteger álabes de turbina expuestos a las cada vez mayores temperaturas de operación. Los últimos se utilizan para proteger las superficies expuestas al medio ambiente y al choque de partículas a las altas velocidades a las que se desplazan las aeronaves. Empresas como las de alimentos y metalmecánicas requieren de la protección de los herramentales e instrumentales a las condiciones agresivas como son la exposición a

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ácidos y bases, choque térmico, metales y óxidos en estado líquido, etc. Esta protección se logra mediante el depósito de material inerte, o con mayor resistencia a las condiciones de trabajo. Así podemos clasificar los materiales requeridos en estaárea como sigue: a) materiales para el recubrimiento de herramientas utilizadas en la perforación de pozos profundos de petróleo y de agua subterránea, b) recubrimientos para herramientas en general, c) recubrimientos para equipos con posibilidades de desgaste (bombas, engranes), g) recubrimientos bio-compatibilizadores para aplicaciones médicas, NANOMATERIALES Existen en el país un buen número de grupos e investigadores llevando a cabo acciones relacionados con la síntesis y caracterización de nanopartículas. Se cuenta con la Red Temática en Nanociencias y Nanotectnologías con una participación de más de 350 investigadores, con amplios contactos industriales e internacionales. Es conveniente que esta Red continúe con su consolidación internacional a través de la formalización de acuerdos de intercambio e investigación con otros países. Aún no hay muchas aplicaciones industriales de estos materiales, aunque destacan los resultados exitosos en la mejora de las propiedades y características de polímeros reforzados por nanopartículas y estructuras de dimensiones nanométricas, recubrimientos en vidrio y en textiles y con efecto antibacterial. Estas soluciones se han logrado a través de la incorporación de nanopartículas a materiales convencionales para obtener la funcionalidad deseada. Entre las áreas potenciales de mejora a través del uso de nanotecnología se encuentran la de catálisis, medicina, recubrimientos, sensores y actuadores, etc. MATERIALES MAGNÉTICOS: a) materiales magnéticos nano-estructurados, b) imanes permanentes, c) materiales magnéticamente blandos para núcleos inductivos, d) medios magnéticos para el registro de información, e) materiales magneto-calóricos para refrigeración magnética, f) nuevos materiales con Efecto Magnetocalórico Gigante en diferentes rangos de temperatura con énfasis en la temperatura ambiente y de preferencia sin elementos de las tierras raras, g) compósitos basados en dos fases con capacidad de refrigeración optimizada en diferentes rangos de temperatura. AISLANTES TOPOLÓGICOS: a) computación cuántica b) materiales termoeléctricos con figuras de mérito muy altas, apropiadas para ser utilizados en refrigeración y no contaminantes.

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METAMATERIALES: a) materiales con índice de refracción ajustable, que permitan la creación de "super-lentes" que mejorarían de manera muy importante la calidad de las imágenes, para el diagnóstico médico y otros usos. CELDAS SOLARES: a) desarrollo de celdas solares de última generación, con eficiencias de conversión altas BIOMATERIALES: a) prótesis ortopédicas con y sin recubrimientos bioactivos, b) preformas porosas a base de cerámicos bioactivos para la liberación controlada de medicamentos, c) nanopartículas para el tratamiento de enfermedades tales como el cáncer y la diabetes, d) cementos para la fijación mecánica de prótesis, e) recubrimientos bioactivos sobre prótesis dentales, e) aceros libres de níquel, f) síntesis de materiales antibacteriales, g) estudios de interacción entre las células y los biomateriales, h) síntesis de biomateriales con superficie nanoestructurada, i) síntesis de materiales bioactivos nóveles, j) materiales biomiméticos, k) investigaciones multidisciplinarias que incluyan estudios in vivo para la caracterización de biomateriales.

MATERIALES METÁLICOS: El uso y desarrollo de aleaciones metálicas avanzadas en industrias como la aeronáutica y la automotriz, que tienen exigencias mayores o más estrictas a otros ramos, requieren de alto nivel de conocimiento y nos permite un posicionamiento a nivel internacional. México ha seguido la tendencia mundial de reemplazar las curriculas en minería y metalurgia por las de ciencia e ingeniería de materiales, sin embargo sería deseable revertir esta situación ofreciendo todas estas carreras en diversas instituciones académicas, con especial énfasis hacia las vocaciones regionales. a) no ferrosos. Se cuenta con muchas oportunidades relacionadas con el uso de aluminio. Dos empresas controlan el mercado de la chatarra. El aluminio primario se importa en forma de lingote o de planchón; se funde o se mezclan para hacer aleaciones. El manejo de la chatarra incide en el costo y calidad del producto. Las tendencias en las plantas es ir aumentando la cantidad de chatarra por cuestiones económicas sin incrementar el nivel de rechazo. Es necesario el apoyo para incidir en la ingeniería de proceso en planta a través de los RH, tanto de doctores como de ingenieros en metalurgia. La mejora de los procesos en las empresas permite incrementar la eficiencia. Se requiere de personal con experiencia y conocimiento para resolver estos problemas. Para ello se requiere vencer la reticencia hacia la vinculación en empresas y academia. Esta misma situación se presenta en las empresas transformadores de cobre, con la diferencia de que México cuenta con yacimientos y explotación de cobre.

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b) aceros avanzados y especiales. Se cuenta con la infraestructura industrial para producir aceros estructurales, sin embargo no se producen aceros especiales como los grados herramienta o inoxidable, ni tampoco los libres de intersticiales o de ultra bajo carbono. Se dispone de una alta capacidad académica en diversas instituciones académicas con un alto grado de vinculación con el sector industrial. Las empresas siderúrgicas tienen buenas relaciones con las automotrices. c) superaleaciones. No hay empresas en México que fabriquen este tipo de materiales, el estado del arte está muy avanzado en sectores industriales como el aeronáutico o proveedor de energía. Es altamente deseable incidir en el estudio de la fabricación de componentes monocristalinos. Se han identificado grupos de investigación que se pueden empatar y beneficiar, porque no sólo se utilizan para las turbinas de los aviones, sino en aplicaciones médicas. Es un área de investigación a la que se le debería apostar dado el alto potencial incidir en la generación de conocimiento. d) aleaciones metálicas amorfas. Las aleaciones metálicas amorfas, también conocidas como vidrios metálicos, cuentan con una estructura de orden de corto alcance y exhiben propiedades que tienen aplicaciones prometedoras en diversos sectores. Existe una demanda específica por un productor nacional de transformadores eléctricos por aceros amorfos con altas propiedades magnéticas, que no ha sido satisfecha por el entorno académico. SEMICONDUCTORES: a) inorgánicos. Existe en el país una amplia experiencia en el crecimiento de películas delgadas semiconductoras cuyo desarrollo ha sido orientado para aplicaciones en celdas fotovoltaicas y diodos emisores de luz (LED). Se presenta un área de oportunidad en el uso de estos materiales para la fabricación de sensores requeridos por las empresas instaladas en el país. Se requiere definir áreas específicas, por ejemplo en sensores para aplicaciones en la industria automotriz, aeronáutica, medicina, y otra. Se cuenta con capacidad humana distribuida en varios grupos académicos, sin embargo se deben reforzar las capacidades actuales, sobre todo en lo que respecta a la instalación de laboratorios que incluyan cuartos limpios para fabricar dispositivos a escala piloto. Reforzar las capacidades experimentales para procesar dispositivos y determinar características propias de los mismos como son los perfiles atómicos en profundidad y demás propiedades. Es indispensable reforzar la formación de RH a nivel de posgrado en el área de fabricación de dispositivos semiconductores. b) orgánicos. Se deben buscar los mecanismos más adecuados para incentivar o motivar el desarrollo de semiconductores en conjunto con la industria siguiendo un esquema similar al que se aprecia en la vinculación entre empresas metalmecánicas. Aunque en la actualidad no compiten en eficiencia y costo con los LEDs inorgánicos, los OLEDs (Organic Light Emitting Diodes) se han mejorado exponencialmente en las últimas décadas, siendo un campo de investigación muy activo. Las dos técnicas de mayor uso emplean moléculas emisoras de luz de bajo peso molecular o polímeros conjugados. Entre los requerimientos de desarrollo se pueden citar:

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• Materiales orgánicos donantes y aceptores • Diseñar y preparar dispositivos con morfologías mejoradas para transferencia de

cargas • Diseñar y manufacturar polímeros y copolímeros de bloque, donantes y aceptores (D-

A), para mejorar la disociación de excitones • Desarrollar métodos de preparación de heterouniones a granel ordenadas (Ordered

BHJ) • Estudiar, mejorar y desarrollar métodos de depósito de materiales activos sobre

substratos flexibles • Desarrollar materiales y procesos para unión de componentes de las celdas solares

(simplificar procedimientos de unión, minimizar o nivelar la rugosidad entre capas, evitar cortocircuitos.

POLÍMEROS: En las investigaciones encauzadas a la disminución de peso destacan el uso de plásticos mejorados reforzados con fibras para fabricar paneles rígidos más ligeros, capaces de absorber la energía de impactos. También, cada vez con mayor frecuencia vemos el uso de materiales avanzados en las aplicaciones de seguridad automotriz, tales como nano-compositos, polímeros híbridos, bio-polímeros y fibras naturales. Una tendencia paralela en éste y otros campos es la creciente utilización de materiales poliméricos fabricados con materias primas renovables y la combinación de éstas con nanopartículas para incrementar sus propiedades mecánicas. MATERIALES COMPOSITOS: Son materiales constituídos por dos o más componentes cuyas propiedades superan a las que tiene cada componente por separado. En materiales se suelen utilizar doversos tipos de polímeros mezclados con arcillas o con nanomateriales. Este campo representa una area de oportunidad muy importante debido a las grandes tendencias en el uso de materiales compositos de todo tipo en aviones. En México ha sido creciente la llegada de compañías aeronáuticas que emplean materiales compositos y se prevé que esta situación continuará. Las capacidades de infraestructura, equipamiento, investigación y recursos humanos a todos los niveles en el área de materiales composites es sumamente limitada en el país. Es indispensable y muy oportuno fortalecer las capacidades nacionales en esta área. Se requieren políticas y estrategias nacionales para establecer planes a corto, mediano y largo plaza. Se requiere considerar la creación de centros regionales de investigación y establecer planes de formación de recursos humanos a los diferentes niveles. Se están desarrollando materiales compuestos para aplicaciones de larga vida, 100 años; el uso de nuevas fibras y resinas de fuentes renovables; sistemas de recubrimientos a base de compositos aptos para aplicaciones en áreas reducidas y materiales multifuncionales, entre otros. En seguimiento a las tendencias mundiales es necesario:

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a) producir paneles poliuretánicos, y poliestirénicos estructurales y no flamables, utilizando polímeros biorenovables o polímeros convencionales reciclados; b) establecer sistemas de manufactura de resinas poliméricas biorenovables, incorporando nanomateriales, para elaborar pinturas, selladores y aislantes; c) desarrollar y producir Materiales de Cambio de Fase microencapsulados en biopolímeros. d) desarrollar y producir Materiales de Cambio de Fase microencapsulados para la elaboración de materiales termo y fotocrómicos para ventanas; e) desarrollar y producir materiales poliméricos para mejorar la inhibición de ingreso de UV a través de ventanas. f) estudiar y perfeccionar manufactura de compositos poliméricos con aerogeles para fabricación de paneles translúcidos aislantes. MATERIALES PARA EL TRANSPORTE: a) espumas estructurales incorporando materias primas renovables, b) ncorporar infraestructura para estudiar y desarrollar tecnologías de compositos termoplásticos, c) producir compositos de termoplásticos bio-poliméricos y fibras naturales, d) mejorar la robustez estructural de compositos de fibras de vidrio y carbón incorporando nanomateriales con las resinas termofijas, e) estudiar las tecnologías de fabricación de los compositos termofijos, f) materiales tanto aislantes como disipadores de calor usando materiales poliméricos, g) manufacturar biopolímeros que substituyan los polímeros hechos a partir de procesos petroquímicos. MATERIALES SUSTENTABLES: En la “química sustentable” se incorporan las áreas de desarrollo basadas en el diseño, obtención y transformación de materias primas obtenidas de fuentes renovables, principalmente las provenientes del manejo y aprovechamiento de la biomasa. La búsqueda de alternativas renovables para la preparación de polímeros es un campo de gran interés, con una enorme cantidad de trabajo de investigación y desarrollo. Entre los requerimientos de desarrollo de utilidad nacional en este campo podemos proponer: a) a partir de desechos celulósicos, desarrollar monómeros y polímeros (co-polímeros) de derivados furánicos y tetrahidrofuránicos y el estudio y optimización de todos los procesos necesarios y eslabonados para lograrlo; b) desarrollar y mejorar procesos de obtención de otras moléculas plataforma a partir de desechos celulósicos; c) estudiar procesos de polimerización y co-polimerización de las actuales moléculas plataforma, como el ácido succínico, propanodiol, butanodiol y otros, así como los procesos de transformación de los polímeros, particularmente los del ácido poliláctico; d) desarrollar compositos poliméricos empleando los biopolímeros obtenidos.

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RECOMENDACIONES GENERALES PARA DISTINTOS SECTORES: Sector Aeronáutico Reforzar capacidades existentes y generar los RH y Centros de Investigación que estudien temas de materiales compuestos poliméricos reforzados con fibra, barreras térmicas protectoras y superaleaciones. Fomentar el estudio de la manufactura avanzada de los diversos materiales. Sector Polimérico Promover la formación de RH especializados en polímeros con especial énfasis en procesamiento y fisicoquímica. Síntesis y generación de polímeros a partir de materiales orgánicos. Sector Automotriz Promover la investigación en el uso y desarrollo de aleaciones avanzadas que permitan reducir el peso de los vehículos y en los materiales requeridos para la producción de vehículos híbridos y eléctricos. Fomentar el estudio de la manufactura avanzada de los diversos materiales. Sector Electrónico Promover el estudio, diseño y fabricación de dispositivos semiconductores a partir de compuestos nanoestructurados. Sector Metalmecánico Disponer de nuevos y mejores técnicas de depósito de recubrimiento en herramentales y componentes industriales. Fomentar el estudio de la manufactura avanzada de los diversos materiales. Sector Médico Desarrollo de dispositivos nanotecnológicos que permitan la eliminación de agentes biológicos. Sector Académico Reforzar las redes académicas existentes como la de nanomateriales, aluminio, etc. PROPUESTAS DE APLICACIÓN GENERAL AL SISTEMA NACIONAL DE INVESTIGACIÓN, DESARROLLO TECNOLÓGICO E INNOVACIÓN. A continuación se plantean propuestas generales que se piensa pueden fortalecer la relación ciencia, tecnología y sociedad. a) generación por el CONACYT, de una base de datos pública (censo) que incluya a los diferentes centros e institutos de investigación de los diferentes Sistemas de Investigación Nacionales, así como a investigadores y sus áreas de especialidad, equipo mayor de

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investigación, posgrados, número de estudiantes, entre otros. Esto permitiría, entre otras cosas, una optimización de recursos en el sistema de investigación nacional. b) creación de un Padrón de Instituciones de Investigación, que sean evaluadas periódicamente por pares nacionales e internacionales de reconocido prestigio y experiencia. Este Padrón podría considerar varios niveles, por ejemplo: instituciones emergentes, consolidadas y de excelencia. La pertenencia a este Padrón implicaría, de acuerdo a su clasificación y a su desempeño, la asignación de apoyos económicos complementarios, prioridad en la asignación de plazas académicas, flexibilidades normativas, etcétera, por parte de la SHCP a través del CONACYT, y en alianza con la SFP, la SEP, la SE, la SENER, la SSA, la SEMARNAT, la SEDENA, la SEMAR y la SAGARPA. c) en congruencia con la propuesta anterior, se propone el reforzamiento de instituciones de investigación existentes, mediante una evaluación que considere tanto la productividad científica, la formación de recursos humanos de calidad, la vinculación con los diferentes sectores de la sociedad y el impacto y la rentabilidad de su actividad, entre otras. d) incremento en el presupuesto de las instituciones de investigación por parte de la SHCP, para asegurar el mantenimiento de equipo mayor dedicado a la investigación. O bien (aunque menos deseable) la emisión por parte del CONACYT de una convocatoria trans-anual que considere el apoyo a mantenimiento de equipo mayor dedicado a la investigación. e) creación de Laboratorios Nacionales en áreas de interés general y con infraestructura humana y material de primer nivel. Estos laboratorios darían servicio al conjunto de instituciones de investigación nacionales, mediante esquemas de uso remoto, presencial o mixto. El monto de inversión inicial en este programa se estima en mil millones de pesos (cinco Laboratorios Nacionales con un promedio de doscientos millones cada uno, incluyendo la inversión inicial y las plazas de expertos correspondientes). La inversión posterior a su creación se estima en cien millones de pesos por año (para los cinco Laboratorios), que corresponde a salarios de los expertos y al mantenimiento de la infraestructura. Esto, considerando que los servicios de cada laboratorio generará, en el mediano plazo, recursos adicionales que permitirían financiar parte de su operación; con la posibilidad de lograr un porcentaje considerable de “autosuficiencia” financiera. f) creación de nuevos centros de investigación con pertinencia nacional o regional. Para ello se requieren estudios de viabilidad e impacto, que aseguren la pertinencia de estas nuevas infraestructuras, así como el apoyo (verificable y de largo plazo) de los Gobiernos locales. g) ampliar y consolidar el Consorcio de información científica, iniciado por el CONACYT, para permitir un acceso más universal y con mayor cobertura a literatura científica. h) generar esquemas de movilidad de investigadores y estudiantes para promover los trabajos interinstitucionales y la multi e inter-disciplina, así como la optimización de recursos.

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i) modificar las reglas de operación de los fondos sectoriales y mixtos del CONACYT, para permitir la posibilidad de generación de remanentes financieros de proyectos (“Overheads”), que permitan sufragar los gastos de operación institucionales, así como la asignación de estímulos por proyecto al personal involucrado en su realización. La inversión correspondiente a esta modificación es nula, o bien es el costo asociado a la gestión con las diferentes instancias involucradas (en particular la SHCP y la SFP). j) permitir la trans-anualidad de proyectos de Innovación (PEI) del CONACYT, para ajustarse a los tiempos reales de ejecución de proyectos de innovación con empresas. Las bondades del PEI han quedado claramente demostradas, dado que ha generado una vinculación creciente entre la academia y las empresas, así como una inversión considerablemente mayor en I+D por parte de estas últimas. Por ello, es importante considerar el incremento en los recursos correspondientes a estos proyectos, dado que la demanda supera con mucho a la oferta. Una inversión conveniente en este programa, sería de cinco mil millones de pesos por año. Como sabemos esto depende de la “voluntad política” de la Cámara de Diputados, por lo que el incremento dependería del éxito de la gestión correspondiente. k) creación de programas de promoción que induzcan la incorporación, por parte del sector empresarial, de recursos humanos altamente calificados, formados en las instituciones de investigación. Lo anterior, mediante programas de becas, de contratación preferente, de contratación eventual por proyecto (asociado a una necesidad de la empresa), de contratación “a prueba”, etcétera. l) modificación de las leyes y normas (del servicio público, de entidades paraestatales, etc.), para permitir la participación del personal de instituciones de investigación, y de las propias instituciones, en la creación de empresas de base tecnológica. Esta práctica que resulta común a los países desarrollados, ha sido en México uno de los principales obstáculos a la creación de este tipo de empresas, lo que representa una enorme pérdida de oportunidades de generación de riqueza, de creación de empleos y de competitividad de sector productivo mexicano. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Para todos los materiales:

1. Analizar indicadores socioeconómicos 2. Realizar estudios sobre la situación actual (capacidad académica, capacidad técnica,

experiencia, infraestructura, capacidad empresarial, etc) 3. Buscar y generar alianzas entre grupos para empatar y beneficiarse mutuamente. 4. Impulsar la vinculación en las instituciones. 5. Identificar las instituciones mexicanas que están a la vanguardia. 6. Enfocarse en la mejora de procesos, procesos más eficientes. 7. Incidir en la ingeniería de procesos que impacte en la calidad del producto.

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8. Impulsar la formación académica en estas temáticas, no considerar sólo lo que está de moda, retomar la metalurgia.

9. Identificar áreas y formar recursos humanos. 10. Conocimiento por parte de las empresas de las capacidades académicas con que

cuenta México. 11. Trabajar de la mano con las empresas. 12. Generar capacidades que detonen el desarrollo, estar a la vanguardia en los temas que

vienen y reforzar lo que ya se hace en México. 13. Realizar estudios de mercado para identificar los nichos de oportunidad. 14. Tomar ejemplos de países modelo, como el ejemplo de Brasil, que primero definen

hacia dónde van, se enfocan, concentran sus capacidades y lo desarrollan a lo grande. 15. Reforzar las capacidades actuales para dinamizar el sector y canalizar los recursos

hacia lo que mejor convenga.

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MATERIALES FUNCIONALES ECOLÓGICOS

Luis Edmundo Fuentes-Cobas Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.

Chihuahua, México luis.fuentes@cimav.edu.mx

CONTENIDO

1. Conceptos y datos de inicio: ecología, desarrollo sustentable, efecto invernadero.

2. Problemas y áreas de oportunidad generales: escasez de materiales, reciclaje, evaluación del ciclo de vida, toxicidad versus valor agregado, energía.

3. Campos de problemas y áreas de oportunidad notables: materiales para la creación de infraestructura, materiales para el transporte, materiales para la informática.

4. Temas de interés humano sobresaliente: salud, educación. 5. Conclusiones

1. Conceptos y datos de inicio La noción de ecológico se asocia generalmente con el estudio de los seres vivos y su relación con el medio ambiente. Se le identifica también con las ideas de protección y defensa del medio ambiente. El concepto de desarrollo sustentable (DS) se refiere habitualmente a la conocida definición de la Comisión Brundtland1: “DS es el desarrollo (económico/social) que satisface las necesidades del presente sin comprometer la posibilidad de las futuras generaciones de satisfacer las suyas”. La Figura 11 muestra esquemáticamente las tres componentes del DS, a saber: economía, medio ambiente y sociedad. Las componentes del DS están fuertemente interconectadas. El crecimiento de una componente puede afectar negativamente a otra.

Figura 1: Componentes del Desarrollo Sustentable. Se muestran las condiciones de equilibrio a las que se debe aspirar.

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El DS es el proceso mediante el cual las políticas de mejora continua de la economía, el medio ambiente y la sociedad son guiadas por el análisis científico2.

Resumimos algunas cifras que caracterizan la problemática de la componente social.

La población mundial aumentó de 1.6 a 6 mil millones entre principios del siglo XX y principios del siglo XXI. En este tiempo la producción industrial aumentó cien veces y el consumo de combustibles fósiles aumentó cincuenta veces. El ritmo de aumento global de la población es 1.4 %/año. Para los países “en vías de desarrollo” es mayor (~ 3 %/año). El 18% de la población mundial carece de agua potable limpia, el 20% de la población mundial vive en extrema pobreza (ingresos < 1 U$D/día) y el 40% de la población mundial carece de servicios de saneamiento.

Efecto invernadero: La Tierra ha empleado aproximadamente 250 millones de·años en concentrar carbono en los bosques, carbón mineral y petróleo. El hombre lo ha dispersado en la atmósfera, en forma de CO2, en 250 años. La Figura 22 describe la idea central del efecto mencionado.

El Protocolo de Kioto: Aprobado en 1997, entró en vigor en 2005. Impone reducciones a las emisiones de CO2, CH4, N20) y tres gases fluoruros (HFC, PFC, SF6). Las limitaciones conciernen esencialmente a la combustión de energías fósiles –petróleo, gas y carbón- responsables de dos tercios de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. Desafortunadamente, los Estados Unidos no están comprometidos con el Protocolo.

El efecto invernadero es un problema serio que requiere acciones globales para su solución.

Figura 2: Efecto invernadero: La emisión antropogénica de dióxido de carbono, metano y otros gases altera la capa atmosférica de manera que la emisión infrarroja se refleja hacia la Tierra, calentándola.

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2. Problemas y áreas de oportunidad generales Escasez de materia prima: Los científicos y tecnólogos de materiales aplican hoy prácticamente toda la tabla periódica para crear sistemas útiles. Las impresionantes tendencias en los volúmenes de uso muestran que las escaseces de materias primas serán importantes en el futuro cercano. La Figura 33 muestra el incremento en la demanda de metales durante el siglo XX. Nótese la escala logarítmica.

Figura 3: Producción global de metales durante el siglo XX.

La Tabla 13 ilustra el incremento dramático en el precio de los elementos de tierras raras en un año. Las tierras raras se utilizan en la producción de materiales superconductores y superimanes. Tabla 1: Precio de tierras a principios del presente decenio

ELEMENTO DE TIERRA RARA

PRECIO(U$D/kg) INCREMENT

O PRECIO AGO 2010

AGO 2011

Ytrio 34.50 210.00 508%

Neodimio 55.25 475.00 756%

Lantano 33.50 165.00 392%

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Científicos, empresarios y gobiernos deben entender la complejidad del problema de la escasez de materias primas y desarrollar estrategias en cooperación para, por ejemplo, buscar materiales sustitutos.

Reciclaje: Reciclar, en general, es beneficioso. Por ejemplo, el reciclaje de envases de vidrio y aluminio es una práctica establecida, ventajosa. Pero, a veces, la solución óptima no es la evidente. Ejemplo: Diferentes tipos de papel. Investigaciones experimentales demuestran que

desde los puntos de vista de consumo de energía y contaminación con CO2, lo mejor es:

Papel periódico àà reciclarlo

Papel “kraft” àà usarlo como combustible en la fabricación de papel nuevo. El diseño de un proceso de reciclaje debe garantizar que haya beneficio neto. Asociado a este criterio, se establecen hoy día las normas y procedimientos para realizar la llamada evaluación del ciclo de vida [life-cycle assessment (LCA)], que es el análisis cuantitativo (incluida la modelación por computadora) de todos los materiales y la energía requeridos por el reciclaje y su comparación con los productos (deseados o no) a la salida del proceso.

Un factor importante para el éxito del reciclaje es la educación ecológica. La continua avalancha de propaganda consumista juega en este sentido un papel negativo.

Impacto ambiental – toxicidad: La selección tradicional de materiales se ha venido realizando tradicionalmente como “análisis de prestaciones y costos”. Recientemente: Se incorpora la valoración de sustentabilidad, desde el punto de vista de que el uso del producto no afecte significativamente el medio ambiente.

Un área que requiere atención sostenida es el análisis de los efectos tóxicos durante la producción, la vida útil y el manejo de los productos después de desechados. Entre los llamados materiales funcionales, el tema de la sustitución del plomo en la fabricación de cerámicas piezoeléctricas vale como ejemplo de área problemática que se puede convertir en área de oportunidades. Las cerámicas piezoeléctricas, que transforman una señal eléctrica en respuesta mecánica y viceversa, son el material funcional imprescindible en un equipo de sonografía médica o industrial. Durante decenas de años, los piezoeléctricos que han dominado el mercado internacional han sido las “cerámicas PZT” (titanato-circonato de plomo). Sus prestaciones satisfacen la demanda. Las limitaciones básicas de las PZT son: a) Al fabricarlas, resulta inevitable cierta contaminación ambiental con plomo, nocivo para la salud. B) Sus coeficientes piezoeléctricos decaen fuertemente si la temperatura de operación llega al orden de 200°C. Esto imposibilita su uso en numerosas aplicaciones industriales.

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Los investigadores-desarrolladores de materiales piezoeléctricos a nivel mundial nos encontramos enfrascados en la búsqueda de sustitutos para las PZT. Esta búsqueda genera desde temas de frontera en investigación básica hasta hallazgos de materiales nuevos, amistosos con el ambiente y de características técnicas superiores a las de las PZT. La Figura 4 representa la estructura cristalina del titanato de bismuto Bi4Ti3O12 (BT), material piezoeléctrico sin plomo, prometedor porque mantiene sus características piezoeléctricas hasta temperaturas superiores a los 300°C. Este material ha sido producido a escala de laboratorio y caracterizado en CIMAV4.

Figura 4: Representación esquemática de la estructura cristalina del Bi4Ti3O12. Las esferas rojas denotan átomos de oxígeno, las color café son átomos de bismuto y las violeta representan átomos de titanio. La estructura es monoclínica con parámetros reticulares a = 5.4458(2) Å, b = 5.4075(2) Å, c = 32.800(2) Å, b = 89.963(3)°.

El dominio técnico del BT genera cuestiones difíciles de ciencia básica (la simetría ¿es ortorrómbica o monoclínica? ¿Cuál es el mecanismo cuántico que produce polarización eléctrica? ¿Cómo obtener cerámicas de alta compactación y textura favorable?) Y abre posibilidades para la comercialización de productos “sustentables” de alto valor agregado: Mientras los precios en el mercado de los óxidos de bismuto y titanio son de unidades a decenas de U$D/kg, el Bi4Ti3O12 se cotiza en cientos de U$D/kg.

Generación y consumo de energía a nivel mundial: La Figura 55 muestra la evolución durante los últimos 50 años del consumo de energía de la humanidad. Para dar una idea intuitiva del significado de las cifras representadas: Los aproximadamente 9 ~10 TW globales actuales corresponden a que cada segundo la humanidad gasta diez mil millones de veces la energía necesaria para elevar 1 metro a un boxeador de entre 90 y 100 kilos (un “peso completo”).

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Figura 5: Consumo de potencia (energía/unidad de tiempo) global de la humanidad. Años 1965-2005. Se indican las fuentes de energía utilizadas. La escala vertical está en TeraWatts (TW). 1 TW = 1012

Joule/seg.

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El gasto, se sabe, no es homogéneo. En un año el consumo promediado a nivel global es de 57 GJ (1 GJ = 109 J). En ese período el promedio europeo es de 119 GJ y el valor en los EEUU es de 230 GJ. Con mucho, la principal fuente de energía de la humanidad hoy son los combustibles fósiles (petróleo, gas natural, carbón mineral). Y es probable que así permanezca durante las próximas decenas de años. La Figura 66 representa las contribuciones de diferentes fuentes de energía al consumo humano.

Figura 6: Fuentes de energía de la humanidad. Las “energías renovables” (eólica, fotovoltaica,…) son ciertamente más ecológicas. Desafortunadamente, en la actualidad sólo representan una pequeña fracción del consumo.

Hoy día, Alemania representa la vanguardia mundial de empleo de la energía fotovoltaica (celdas solares). En este país se ha alcanzado el 3% de contribución fotovoltaica al consumo nacional. Cierto mediodía de mayo del año 2012, Alemania obtuvo la cifra récord de 22 GigaWatts fotovoltaicos (1 GW = 109

Joule/seg). (Comparación: En la Figura 5 se representan TW. 5 TW = 5,000 GW).

En los Estados Unidos la energía fotovoltaica representa aproximadamente el 1 % del consumo, mientras el carbón aporta el 45%. Un área de oportunidad importante, dependiente de la ciencia de materiales, es desarrollar celdas solares que aprovechen una fracción significativamente mayor del espectro electromagnético solar. Y…la energía nuclear…¿es sustentable? Las respuestas a esta pregunta son tan dispares como apasionadas. Francia defiende la energía nuclear y Alemania la condena (aunque usa energía importada de Francia, de origen nuclear). La Tabla 2 resume algunos argumentos (ninguno despreciable) en una u otra dirección.

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Tabla 2: Argumentos a favor y en contra de la energía nuclear

A FAVOR EN CONTRA Se produce mucha energía Eventos tipo Fukushima

Produce mucho menos CO2 Posibilita armas nucleares Con la tecnología y los yacimientos actuales se puede duplicar o triplicar la producción actual de energía nuclear El manejo de los desechos no

está resuelto totalmente

El hombre debe diversificar y optimizar el uso de sus fuentes de energía. Hay que incentivar el ahorro de energía. Hay que aprovechar más de la energía que viene del Sol, utilizar los combustibles fósiles de manera que contaminen menos la atmósfera y hay que continuar desarrollando aún más las medidas de seguridad en el empleo de la energía nuclear.

3. Campos de problemas y áreas de oportunidad notables

Materiales para crear infraestructura: México es un productor importante, a nivel internacional, de cemento, cerámicas estructurales, aceros y otros metales. El concreto es el material manufacturado más ampliamente utilizado en el mundo (1 m3

nuevo de concreto/persona cada año, a nivel global). Cientos de tipos de aceros dan resistencia a puentes, edificios y automóviles. Pero la contaminación ambiental, el consumo de agua y el agotamiento de los yacimientos asociados a la creación de infraestructura son factores que obligan a optimizar las tecnologías y en especial el empleo de las materias primas involucradas. Materiales para el transporte: Este campo también está colmado de áreas de oportunidad para investigación/desarrollo de tecnologías asociados a ciencia de materiales. Mencionamos algunos casos: automóviles más ligeros (Ver la Figura 73), aprovechamiento del combustible, duración de los vehículos, disminución de los gases emitidos, educación de los automovilistas.

Figura 7: Carrocería súper-ligera àà

El último punto mencionado merece mención aparte: Vivimos el absurdo de estar agotando las reservas de petróleo y ser cada día más compradores de camionetas enormes, tremendamente gastadoras de combustible. Esto lo hacemos inducidos por el consumismo. Materiales para la informática: En este campo se producen y consumen materiales de muy alto valor agregado. El boom mundial de la nanotecnología afecta

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especialmente la computación y las comunicaciones. Este es un campo que exige alto nivel científico-técnico del personal e importantes inversiones en infraestructura. Los países que no alcancen incorporarse al grupo que domina estas tecnologías, serán indefinidamente dependientes y pobres.

4. Temas de interés humano sobresaliente Salud: El aire que respiramos, el agua que bebemos … nuestro cuerpo están hechos de materiales. En la medida en que descifremos la relación estructura- función tanto en los órganos de los cuales estamos hechos como en los materiales de los cuales están hechos estos órganos, así seremos capaces de dar a nuestras vidas mayor duración y calidad. El desarrollo de la ciencia de materiales asociada a la medicina es importante por su significado esencial humanitario y también porque los productos de estas investigaciones y estos desarrollos poseen un altísimo valor agregado, de gran ayuda para la economía nacional. La Figura 8 muestra un corazón artificial7. Quizás ésta sea una imagen representativa del mundo en que vivirán nuestros hijos.

Figura 8: Corazón artificial. Costo ~ 100,000 U$D

Educación El grueso de la presentación anterior lleva implícito el mensaje de que la sustentabilidad tiene como condicionante a una población educada, dirigida por una clase política consecuentemente calificada. A la educación científica corresponde un rol significativo en esta consideración. Algunos factores que indican debilidades/amenazas en el escenario son los siguientes: - La sociedad recibe abrumadora información por la TV y los medios, que tienen sus

objetivos comerciales o de otra índole. - Una fracción significativa de la población adolece de ingenuidad, no está

preparada para evaluar asuntos técnicos, es fácilmente manipulable. - Las decisiones estratégicas no son siempre tomadas sobre bases científicas. En el terreno de la educación científica, nuestra sugerencia sería desarrollar tanto programas de elevación del nivel de conocimientos científicos del ciudadano común como la formación priorizada de científicos y tecnólogos. Lo primero educa al ciudadano en los elementos sencillos del razonar y el decidir al estilo científico, y le aportaría ganancias importantes para la vida personal y social. Lo segundo es el único camino para la incorporación de México al mundo desarrollado. En relación con la educación generalizada sobre la ciencia, algunos contenidos que deberían ser de conocimiento por el ciudadano común son los siguientes8:

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- stadística elemental - Elementos de finanzas - Mercado de trabajo - Clima, Cambio climático - Fuentes de energía - Desarrollo sustentable - Salud humana - Recursos naturales, - hidráulicos - Nanotecnología - Comunicaciones - Comercio, Viajes

Figura 9: Caricatura sobre competencia de conocimientos àà

Crecer socialmente en la dirección mencionada es necesario y posible. Existen programas y organizaciones9 dedicadas a este objetivo.

La formación de nuevas generaciones de científicos e ingenieros también es una meta ambiciosa pero ineludible y posible. La caricatura en la Figura 9, tomada de los medios relacionados con educación en los Estados Unidos10, representa el nivel de preocupación que se manifiesta en ese país por la seria competencia en educación científica que existe a nivel global.

La Figura 10 muestra un momento de un proyecto de educación en ciencia e ingeniería de materiales que se viene desarrollando de manera exitosa en Chihuahua y Nuevo León. Se trata del Programa “Módulos El Mundo de los Materiales”1112, dirigido a estudiantes de nivel medio superior y fundamentado en la tesis pedagógica de indagación orientada al diseño. La foto fue tomada en el pueblo de Urique, en el fondo de la Barranca del Cobre. Se observa a un grupo de estudiantes de nivel bachillerato, participantes de los Módulos, explicando a estudiantes de primaria las propiedades de los materiales compuestos.

Figura 10: Estudiantes del Programa Módulos El Mundo de los Materiales. Urique, Sierra Tarahumara

El programa, dirigido técnicamente por investigadores de CIMAV, involucra a

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unos 500 maestros de los estados participantes y atiende a unos 4,000 estudiantes por año. El proyecto ya reporta resultados interesantes en lo relativo a ganancia de conocimientos y motivación de los alumnos hacia las carreas de ciencias y tecnología.

5.Conclusiones El desarrollo sustentable está vinculado fuertemente con la educación científica, con los avances y la aplicación de la ciencia en general y en particular con la ciencia de materiales.

Desde la extracción de la materia prima hasta la obtención y comercialización de productos de alto valor agregado, el éxito de una estrategia de desarrollo sustentable depende de que las personas que rigen los campos de la economía, la sociedad y los materiales de la naturaleza trabajen consciente y coordinadamente.

Referencias 1 Report of the World Commission on Environment and Development: Our Common Future (Annex to Document A/42/427) Oxford Univ. Press, Oxford, UK (1987). 1 http://internetparapymes.com/empresas-sustentables/ 1 M. L. Green, L. Espinal, E. Traversa, E. J. Amis: “Materials for sustainable development”, MRS Bulletin 37 (4), 303 (2012). 1 http://exterior.pntic.mec.es/pvec0002/e_invernadero.htm 1 T.E. Graedel and L. Erdmann: Will metal scarcity impede routine industrial use? ”, MRS Bulletin 37 (4), 325 (2012). 1 Diran Apelian Materials science and engineering’s pivotal role in sustainable development for the 21st century ”, MRS Bulletin 37 (4), 318 (2012). 7 M. García-Guaderrama, M.E. Botello-Zubiate, A. Márquez-Lucero, J.A. Matutes- Aquino y L.E. Fuentes-Cobas. Rev. Mex. Física S50 (1), 42–45 (2004).

1 World Consumption of Primary Energy by Energy Type and Selected Country Groups, 1980-2004 (XLS). Energy Information Administration, U.S. Department of Energy (July 31 2006). 1 World Energy Intensity: Total Primary Energy Consumption per Dollar of Gross Domestic Product using Purchasing Power Parities, 1980-2004 (XLS). Energy Information Administration, U.S. Department of Energy (August 23 2006). 1 http://www.libertaddigital.com/salud/2011-08-23/implantan-con-exito-el-primer- corazon-artificial-permanente-en-espana-1276433217/ 1 J. Baglin: “Education about Science: an Urgent Global Challenge”. Invited presentation, International Conference on Electronic Materials, Yokohama (2012). 1 http://www.icsu.org/

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1 http://www.cartoonstock.com/newscartoons/directory/u/us_education.asp 1 http://mwm.cimav.edu.mx 1 L. E. Fuentes-Cobas, F. Espinosa-Magaña, R. Martínez-Sánchez, M. E. Montero-Cabrera, A. Pérez-Hernández, A. Zaragoza-Contreras, R.P.H. Chang, M. Hsu, S. Maloof-Arzola, V.H. López-de Lara-Chávez. “Versión para América Latina del Programa “Módulos el Mundo de los Materiales” (Materials World Modules)”. La_Educ@ción_Digital, Num. 144 (2010).

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POLÍMEROS PARA HOY Y MAÑANA

Vladimir Alonso Escobar Barrios Instituto Potosino de Investigación en Ciencia y Tecnología

San Luis Potosí, México vladimir.escobar@ipicyt.edu.mx

La afectación del medio ambiente, por parte de las actividades del hombre, ha sido reconocida desde hace varios ya. No obstante, son relativamente recientes los esfuerzos conjuntos de los diferentes actores sociales para establecer mecanismos, acciones e incluso políticas públicas orientadas a minimizar, mitigar y/o subsanar los impactos ambientales con miras a conservar los recursos naturales para las generaciones futuras, en lo que se ha denominado desarrollo sustentable. Dicho concepto ha ido modificándose para involucrar los desarrollos social y económico, emparejados con la conservación de los recursos naturales, en lo que se ha denominado como desarrollo sostenible, el cual pretende la explotación racional e inteligente de los recursos naturales que conlleve el bienestar social y la generación de riqueza en su más amplio sentido.

Por otro lado, reconociendo que en la vida actual, los materiales tales como los polímeros tienen un papel preponderante en las actividades cotidianas del ser humano, como por ejemplo, la vestimenta suele ser de poliéster, poliuretano o de algún otro material especial, según sea su uso. En el ámbito médico, los polímeros han encontrado nichos, así por ejemplo hoy en día encontramos andamios de compositos poliméricos que ayudan a la regeneración de huesos, se han sustituido córneas y los lentes de contacto o los anteojos son cien por ciento poliméricos, aunado a los múltiples dispositivos que reemplazan extremidades corporales o liberan prolongadamente fármacos en las dosis requeridas. En la industria de la construcción, el desarrollo de polímeros altamente resistentes, desde el punto de vista mecánico, han conseguido reemplazar algunos materiales metálicos como el hierro, aluminio y el acero, en algunos mercados, con la ventaja de mayor ligereza, resistencia a la corrosión, menor costo, entre otras cualidades. Se han reemplazado métodos convencionales de sujeción, como el atornillado y la soldadura por adhesivos estructurales. En el campo, el desarrollo de películas plásticas capaces de filtrar la luz solar, han incrementado la productividad de los invernaderos, además de tener algunos otros atributos como ser antimicrobiales, mecánicamente resistentes, ligeros y reciclables. Sería difícil concebir nuestras vidas sin las ventajas y comodidades que se obtienen con el uso de este tipo de materiales.

No obstante, la mayoría de los polímeros son sintéticos y provenientes de hidrocarburos, lo cual conlleva algunos impactos ambientales indeseables, aunado al hecho de que la creciente demanda de estos materiales también ha dado lugar a una creciente acumulación de los mismos, una vez que ha terminado su vida útil, sin necesariamente ir de la mano con programas sistemáticos para su clasificación, separación, reutilización y reciclado. Además, aunque por sí mismos la mayoría de los polímeros no son contaminantes, si son basura y pueden promover la contaminación indirecta del medio ambiente, por lo que resulta indispensable el establecimiento de programas que consideren las actividades mencionadas de clasificación, separación, reutilización y reciclado con

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miras a reducir significativamente su producción, acrecentar su reutilización y maximizar su reciclado.

Muchos de los polímeros son susceptibles de ser reciclados y/o reutilizados, de manera simple o sencilla. Sin embargo, se requiere que, de manera científica, se incremente el número de estudios que permitan establecer correlaciones de tipo estructura-propiedades-desempeño para poder desarrollar compositos, nuevos productos e incluso nuevas tecnologías, a partir de los materiales ya utilizados.

La tendencia actual, en el área de los polímeros, no es sintetizar nuevos polímeros sino el desarrollo de compuestos o compositos poliméricos, capaces de mostrar o tener nuevas y/o mejoradas propiedades. Junto con el desarrollo de compuestos poliméricos, está el hecho de buscar nuevas aplicaciones de éstos y de los polímeros mismos. En muchas ocasiones, modificaciones químicas o físicas de los polímeros permiten que éstos exhiban funcionalidades únicas, de allí el fértil campo de la nanotecnología que aun está incipiente en cuanto al desarrollo y uso de materiales de tamaño nanométrico y/o nanoestructurado. Reconociendo que con el advenimiento, en los últimos años, de los estudios sobre materiales nanométricos y la posibilidad real de su producción masiva, el desarrollo de compositos poliméricos que por sí mismos son de tamaño nanométrico o tengan como base este tipo de materiales, abre la posibilidad de nuevas aplicaciones de éstos. Por ejemplo, si se piensa en función de las 5 megatendencias sobre las necesidades actuales y futuras de la humanidad que se han definido en las áreas de: alimentos, vestimenta, salud, agua y energía, entonces los materiales poliméricos tienen mucho que hacer en cada uno de ellos. En el área de alimentos, la conservación de los alimentos en circunstancias adversas como falta de refrigeración durante su almacenamiento, exposición a ambientes contaminados con microorganismos, elevadas temperaturas durante su transporte, obligan al desarrollo de películas poliméricas inteligentes, es decir, capaces de ser permeables al vapor de agua para reducir la creación de microambientes propicios para la proliferación microbiana, o que tengan cualidades antimicrobiales, o que sean comestibles para facilitar su ingesta para reducir potenciales pérdidas durante su retiro del alimento que protegen. Materiales poliméricos capaces de indicar el cambio de temperatura al cual han sido sometidos los alimentos o indicar la presencia de microorganismos en el alimento, serían, sin duda, de gran ayuda para la prevención de enfermedades.

En el área de vestimenta, materiales poliméricos permeables al vapor de agua e impermeables al agua, son utilizados en prendas de vestir para ambientes con alta humedad relativa y donde se desarrolla actividad física importante, lo cual reduce la fatiga del ser humano. Prendas de vestir confeccionadas con polímeros que tienen cualidades antimicrobiales, protegen y son necesarias para ambientes hospitalarios o de alto riesgo médico. Chalecos antibalas hechos a partir de poliamidas aromáticas como el Kevlar, fueron la base para vestimenta requerida

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en ambientes altamente exigentes de trabajo, donde la resistencia mecánica es indispensable. Asimismo, se han desarrollado prendas para ambientes altamente tóxicos por compuestos químicos, como vapores ácidos o alcalinos, así como prendas repelentes para evitar el manchado de las mismas, por mencionar algunos ejemplos convencionales de uso. Además, existe la idea de desarrollar polímeros conductores flexibles, capaces de ser confeccionados en prendas y a través de ellos lograr la transmisión de datos, la captación de energía solar para la carga y recarga de aditamentos electrónicos, o la transformación de la energía generada por el cuerpo humano en energía eléctrica.

En cuanto al área de salud, son diversos los usos que han tenido los polímeros, como ya se mencionaron algunos ejemplos, como coadyuvantes para la regeneración de huesos, en la liberación controlada de fármacos, incipientemente en la regeneración de piel, como lentes de contacto, en piezas para reemplazo de extremidades o partes mismas del cuerpo humano. No obstante, aun existen demandas, necesidades y por lo mismo, oportunidades únicas para los materiales poliméricos. Por ejemplo, materiales inteligentes para la liberación específica y controlada de fármacos o nanomateriales para contrarrestar o destruir células cancerígenas, algunos estudios son prometedores en este sentido, mediante el uso de nanopartículas de oro, las cuales podrían ser transportadas en medios poliméricos. La regeneración de piel es una demanda que exige la confluencia de múltiples disciplinas, la creación de películas poliméricas biocompatibles, antimicrobiales y permeables como lo es la piel natural, no ha sido sencillo, aunque se han conseguido avances importantes al respecto. El desarrollo de bastones con amortiguamiento inteligente para minimizar los efecto secundarios, es todavía una tarea pendiente, como lo es el desarrollo de materiales poliméricos sintéticos capaces de actuar como los músculos.

El incremento en las actividades humanas ha traído, en algunos casos, la contaminación antropogénica del medio ambiente y su consecuente afectación, en muchos casos, de la salud humana, aunado al del medio afectado. En este sentido, el desarrollo de materiales poliméricos capaces de absorber, eliminar o incluso degradar contaminantes del agua, suelo o aire, es indispensable. Así, con el entendimiento de las interacciones químicas de los contaminantes, es posible desarrollar materiales poliméricos ad-hoc con una alta capacidad de remoción de los contaminantes. El siguiente paso está orientado, ya no solo a la remoción sino también a la recuperación de los contaminantes, cuando esto sea posible. Lo anterior es especialmente importante, desde muchos puntos de vista incluyendo el de sostenibilidad, dado que, como ha ocurrido en algunos casos, únicamente se ha trasladado el problema de contaminación de un lado a otro, es decir, se remueve el contaminante del agua, por ejemplo, y se traslada a un confinamiento, lo cual siempre conlleva cierto riesgo de fuga. Por ello, si los materiales poliméricos fueran capaces no solo de absorber sino también de recuperar, por ejemplo, metales utilizados cada vez más en baterías como el cadmio. Otra necesidad que está siendo abordada, sin embargo aun le resta mucho por hacer, es la remoción de contaminantes como el arsénico y flúor del agua para ingesta humana. Sea por contaminación derivada de las actividades humanas, o bien por la composición misma del subsuelo, el alto contenido de fluoruro en agua puede llegar a afectar severamente la salud humana. Asimismo, el alto contenido de arsénico, especialmente en algunas zonas mineras, ha dado lugar a

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la pigmentación de la piel, en una de sus manifestaciones menos agresivas hasta el desarrollo de cáncer. Algunos materiales poliméricos han sido desarrollados para tal fin, aunque ha faltado el impulso final para lograr su explotación comercial y subsanar la contaminación del agua por dichos contaminantes.

Finalmente, en cuanto al tema de energía, si bien mucho esfuerzo se ha concentrado en la generación de la misma, también se ha de abordar el tema de su almacenamiento, así como el de su transporte. Materiales poliméricos con cualidades fotovoltaicas se han desarrollado pero aun dista de ser tema terminado, pues su eficiencia, hasta el momento, ha sido baja. Además, el desarrollo de materiales poliméricos eficientes para la transmisión de energía, empiezan a ser estudiados y desarrollados por algunos investigadores, y cada vez se vuelve urgente su evolución.

La sustentabilidad es, sin lugar a dudas, necesaria, indispensable y urgente en su establecimiento como una política pública, mediante programas consensuados, sistemáticos y a largo plazo, si se aspira realmente a tener una sociedad equitativa, justa, armónica, con bienestar y desarrollo en todos sus ámbitos, cultural, económico, tecnológico, científico, humano.

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MATERIALES LABERÍNTICOS: LOS COMPUESTOS ZEOLÍTICOS

Pedro Bosch Giral Instituto de Investigaciones en Materiales, UNAM México

DF, México croqcroq@hotmail.com

INTRODUCCIÓN

Sin duda, una de las modas científicas contemporáneas es la nanometría, por llamarla de algún modo, moda que como dicen los locutores de la radio “llegó para quedarse” [Roald Hoffmann: Small but Strong Lessons from Chemistry for Nanoscience, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 93 – 103]. Hoy contamos con polímeros nanoestructurados o nanotubos de grafito. Se habla de nanoquímica y de nanociencia para entender la producción y las reacciones para obtener nanopartículas y sus compuestos. En general, cuando se mencionan dimensiones tan pequeñas, uno se imagina partículas diminutas, partículas que son cúmulos cuya estructura y forma generan propiedades únicas. En catálisis heterogénea desde hace muchos años se habla de un efecto de tamaño de partícula. Así en el reforming catalítico, la isomerización del metilciclopentano con un catalizador de Pt soportado en alúmina se da según un mecanismo de reacción diferente si las partículas de platino son menores a los 0.3 nanómetros [M. Boudart M: Catalysis by supported metals, Adv Catal 1969, 20, 153–166; J. M. Dartigues, A. Chambellan, S. Corolleur, F. G. Gault, A. Renouprez, B. Moraweck, P. Bosch Giral y G. Dalmai Imelik: Isomerization on metals, correlation between metal particle size and reaction mechanisms, Nouveau Journal de Chimie 1979, 3, 591-]

Sin embargo, uno podría imaginarse el caso contrario: materia balaceada, o sea un sólido acribillado de agujeros y de canales extremadamente pequeños, algo así como una piedra pómez o una esponja llevados a lo infinitamente pequeño. Como ejemplos de la naturaleza podemos mencionar a la alúmina gama, a las arcillas o a las zeolitas. Este último caso es particularmente interesante ya que su sistema poroso es ordenado, los poros y las cavidades son todos del mismo tamaño y apuntan en la misma dirección.

LAS ZEOLITAS

Las zeolitas se usan a menudo en la industria para purificar agua, como catalizadores en la petroquímica y la química fina, y en la retención de desechos nucleares. Son útiles también para separar el nitrógeno del aire, aumentando así la proporción de oxígeno tanto para usos industriales como médicos. Las zeolitas se aprovechan con buenos resultados en la agricultura y en la medicina. La mayor cantidad de zeolitas sintéticas se emplea en la producción de detergentes para el lavado de ropa y, en cambio, la mayor proporción de zeolitas naturales, las zeolitas son de origen volcánico, se usa como cantera. Formalmente, las zeolitas, naturales o sintéticas, son aluminosilicatos cristalinos del grupo de los tectosilicatos con canales y/o cavidades de dimensiones moleculares. Se forman a partir de silicios (o aluminios) rodeados por cuatro oxígenos. Para simplificar la representación, se suele dibujar un tetraedro en vez del silicio (o aluminio) con los oxígenos, la Figura 1 muestra claramente cómo a partir de dichos tetraedros se forman cavidades o jaulas que a su vez, asociándose, constituyen la zeolita.

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Figura 1. La unión ordenada de tetraedros de silica [Si O4]4- y alumina [AlO4]5- crea estructuras homogéneas con cavidades regular y periódicamente distribuidas.

Las zeolitas debido al tamaño de sus poros son mallas moleculares. Un ejemplo de zeolita natural es la natrolita cuya fórmula es:

Na2Al2Si3O10·2H2O

en donde se comprueba que existen tantos sodios como aluminios. En efecto, los aluminios tetraédricos generan una deficiencia de carga que compensan los sodios. Los sodios se pueden intercambiar, así las zeolitas además de mallas moleculares son también intercambiadores iónicos y presentan sitios activos, desde un punto de vista catalítico. En la Figura 2 se representa la estructura de la natrolita poniendo de manifiesto los tetraedros de silicio y de aluminio que la componen así como la localización de los cationes de sodio (bolas amarillas).Se comprueba claramente que los poros son de forma oval. Las bolas azules representan el agua y los tetraedros en verde son los de aluminio.

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Figura 2. a) Vista de la estructura de la natrolita sobre el plano ab; b) Vista de las cadenas que componen la estructura de la natrolita, en verde aparecen los tetraedros en cuyo centro se encuentra un átomo de Al, los otros tienen en el centro un Si. Figura tomada de la Asociación Internacional de Zeolitas: http://www.iza- online.org/natural/Datasheets/Natrolite/natrolite.html

En la naturaleza este mineral se presenta en forma de agujas, Figura 3 y “he ahí el pecado”. La natrolita por ser un material fibroso, como lo es también el asbesto, no es un material sustentable (o sostenible) ya que perjudica la salud humana aunque sea una zeolita natural.

Figura 3. Los monocristales de natrolita son prismas seudo-tetragonales terminados por una pirámide, los tamaños van de unos cuantos milímetros a varios centímetros. Figura tomada de la Asociación Internacional de Zeolitas: http://www.iza-online.org/natural/Datasheets/Natrolite/natrolite.html

Existen, por fortuna, zeolitas naturales como la clinoptilolita [B. Bogdanov, D. Georgiev, K. Angelova, K. Yaneva: Natural zeolites: clinoptilolite review, International Science Conference"Economics and Society development on the Base of Knowledge" Stara Zagora, Bulgaria, 4- 5 de junio de 2009] o la faujasita, entre otras, que cumplen con los requisitos de la química verde. La cantera verde de Oaxaca, extraída en Etla, es una zeolita clinoptilolita que es sustentable como material de construcción ya que

--� Tiene una larga duración, ¡es cantera! Sirvió para construir en Oaxaca la

catedral y el convento de Santo Domingo. --� Proviene de minas a cielo abierto de fácil explotación. --� Su precio es accesible. --� No es contaminante. --� En su entorno el valor cultural es innegable, se usa desde tiempos

precolombinos. --� Los yacimientos de zeolitas naturales en nuestro país son numerosos y

abundantes aunque no renovables. El principal uso de las zeolitas naturales es, como ya se dijo, en la construcción, como cantera. Además de Oaxaca, se puede mencionar la ciudad de Nápoles, en

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Italia, construida toda de tufo amarillo de Nápoles (tufo giallo napoletano) constituido por las zeolitas phillipsita, chabazita y analcima” , Figura 4 [C. Colella: Las zeolitas de Campania: un recurso de interés ambiental, Materiales Avanzados, 2004, Núm. 3, 45-48].

A B Figura 4. A) Santo Domingo , construido de zeolita clinoptilolita, Oaxaca, México. B) Castillo de los Aragoneses, construido de tufo giallo napoletano, Nápoles, Italia.

ZEOLITAS SINTÉTICAS Y MATERIALES ZEOLÍTICOS

Las zeolitas son además de mallas moleculares, excelentes intercambiadores iónicos y, debido a sus centros ácidos, eficientes catalizadores. Para evitar las impurezas presentes en los materiales naturales se han sintetizado zeolitas como la faujasita o la mordenita. Es más, en la búsqueda de mejores catalizadores, ha sido posible preparar materiales como la zeolita A y recientemente como la ITQ-38 [M. Moliner, T. Willhammar, W. Wan, J. González, F. Rey, J. L. Jorda, X. Zou, A. Corma: Synthesis design and structure of a multipore zeolite with interconnected 12- and 10-MR channels, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (14), 6473–6478] que no existen en la naturaleza. Mediante moléculas orgánicas como los fosfacenos, que sirven de plantilla, se ha logrado “construir” sólidos sobre pedido con la porosidad requerida para tal o cual proceso, la boggsita por ejemplo [www.sciencemag.org, 17 de enero de 2013].

Para alterar el equilibrio de cargas en los canales y en las cavidades de las zeolitas sintéticas, se pueden sustituir algunos aluminios con titanio u otro elemento. El titanio permite oxidaciones muy suaves como en el caso de la oxidación de fenol. En otros casos, ha sido más interesante lograr alumino- fosfatos de titanio, hoy conocidos como TAPO, cuya porosidad es zeolítica y cuya estructura es única [S. Maurelli, M. Vishnuvarthan, M. Chiesa, G. Berlier, S. Van Doorslaer : Elucidating the Nature and Reactivity of Ti Ions Incorporated in the Framework of AlPO-5 Molecular Sieves. New Evidence from 31P HYSCORE Spectroscopy, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7340–7343].

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Algunas de las moléculas que constituyen lo que llamamos petróleo son mayores que los poros de las zeolitas convencionales y, por lo tanto, no logran acceder a los sitios activos que se encuentran al interior de los poros de las zeolitas. Por lo tanto, ha sido necesario preparar materiales con poros más abiertos, es decir materiales mesoporosos que, como sucede con las zeolitas, sean mallas moleculares [J. S. Beck, J. C. Vartuli, W. J. Roth, M. E. Leonowicz, C. T. Kresge, K. D. Schmitt, C. T. W. Chu, D. H. Olson, E. W. Sheppard: A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates, J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10834–10843].

Y no sólo para el petróleo son útiles los mesoporosos, sirven también para inmovilizar enzimas. Pero, cuidado, hay que funcionalizar el interior de los poros con grupos amino para que la interacción sea leve. [A. Mayoral, R. Arenal, V. Gascón, C. Márquez-Álvarez, R. M. Blanco, I. Díaz: Designing Functionalized Mesoporous Materials for Enzyme Immobilization: Locating Enzymes by Using Advanced TEM Techniques, Chem Cat Chem, 22 de enero de 2013, online]. La inmovilización de las enzimas en soportes mesoporosos refuerza su estabilidad operacional y permite el uso de las enzimas como biocatalizadores robustos y de uso múltiple, aún en procesos continuos. Sin duda, la biocatálisis abre la puerta hacia los procesos verdes y sostenibles en la química de síntesis, en la producción de productos naturales y en el manejo de desechos. Los mesoporosos están llamados a jugar un papel crucial en el tema [M. Hartmann, D. Jung: Biocatalysis with enzymes immobilized on mesoporous hosts: the status quo and future trends, J. Mater. Chem., 2010,20, 844-857]. Por ejemplo, las paredes de los mesoporosos se pueden recubrir con otro compuesto como una apatita o como una hydrotalcita, Figura 5 [M. Vallet-Regí, L. Ruiz-González, I. Izquierdo-Barba, J. M. González-Calbet: Revisiting silica based ordered mesoporous materials: medical applications, J. Mater. Chem., 2006, 16, 26]. También se puede pensar en atrapar medicamentos para que se liberen paulatinamente. El éxito depende de una combinación óptima entre bioactividad, liberación de medicamento, porosidad y funcionalización de las paredes del mesoporoso.

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Figura 5. Esquema de cómo varía la estructura de un material mesoporoso recubierto de hidroxiapatita dependiendo de la funcionalización de la superficie y de los factores de crecimiento y péptidos añadidos. Figura tomada de: M. Vallet- Regí, L. Ruiz-González, I. Izquierdo-Barba, J. M. González-Calbet: Revisiting silica based ordered mesoporous materials: medical applications, J. Mater. Chem., 2006, 16, 26

REDES ORGANO- METÁLICAS o METAL ORGANIC FRAMEWORKS (MOF)

Los MOFs son materiales cristalinos compuestos por iones metálicos y moléculas orgánicas cuya estructura depende de la naturaleza de cada uno de los componentes, Figuras 6 y 7. Las utilizaciones de los MOFs en la industria son muy variadas, porque presentan altísimas áreas específicas, de alrededor de 1000 a 5300 m2/g, y una estructura “que respira”, es decir que se puede contraer o expandir, justamente como si fuesen esponjas nanométricas. [S. R. Caskey, A. J. Matzger: Selected Applications of Metal-Organic Frameworks in Sustainable Energy Technologies, Material Matters 2009, 4.4, 111].

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Figura 6. MOF en el que se muestra claramente el metal y los compuestos orgánicos que lo forman. Las esferas blancas y la esfera azul grande resaltan el espacio libre generado. Nótese que la red es abierta y que, a diferencia de las zeolitas, carece de “paredes”. Figura tomada de: http://www.metal-organic- frameworks.de/

Figura 7. La estructura de los MOFs depende tanto del componente metálico como del orgánico. En esta figura se comparan las estructuras obtenidas con compuestos de cinc y de cobre y diferentes compuestos orgánicos. Figura tomada de: http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/alternative-energy- materials/metal-organic-frameworks.html

Los MOFs presentan las áreas específicas más altas existentes en un material sólido. Y por lo tanto, son ideales para almacenar gases como el metano, el dióxido de carbono o el hidrógeno [P. Voosen: New material could vastly improve carbon capture; "metal organic frameworks" look like rocks, act like sponges, Scientific American 30 de junio de 2009, http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=metal-organic-frameworks- carbon-capture; M.R. Hudson, W.L. Queen, J.A. Mason, D.W. Fickel, R.F. Lobo,

C.M. Brown: Powder neutron diffraction reveals new CO2 adsorption interactions in chabazite zeolites, NIST Center for Neutron Research 2012, Accomplishments and Opportunities, NIST Special Publication 1143, Robert M. Dimeo, Director, Ronald L. Cappelletti, Editor, 16-17]. Por si fuera poco, se pueden preparar de modo ecológico y son estables mecánica y térmicamente [I. A. Ibarra , P. A. Bayliss , E. Pérez , S. Yang , A. J. Blake , H. Nowell , D. R. Allan , M. Poliakoff, M. Schröder: Near-critical water, a cleaner solvent for the synthesis of a metal organic framework, Green Chem. 2012,14, 117-122] . El tipo de metal y de enlaces orgánicos determina la estructura del material. Si se escogen adecuadamente los bloques para construirla se obtienen MOFs altamente selectivas en la captura de ciertos gases o

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compuestos químicos mientras otros pasan a través, los MOFs son superiores al mejor de los carbones activados. Inspirándose en tan versátiles materiales, rápidamente se han propuesto otras formulaciones como los POMs (una red MOF se construye con imidazol e iones polioxometalatos Keggin tipo ε) y los COFs (redes orgánicas covalentes) entre otros.

Propiedad ZEOLITA MOF

Diámetro promedio de poro (nm)

0.3-1.2 0.5-100

Superficie específica (m2/g)

< 1000 > 1000

Número de estructuras conocidas

ca. 200 > 4000

Estabilidad térmica (ºC)

ca. 500 - 800 450

CONCLUSIÓN

El estudio de la síntesis, la estructura y la reactividad de las zeolitas, de los compuestos zeolíticos y de las redes órgano metálicas debe conducir a descubrir nuevos materiales porosos adecuados a los requerimientos petroquímicos, ecológicos y energéticos del mundo actual. Sin duda, es necesario disponer de materiales micro, meso y macro porosos con una alta versatilidad estructural y una gran diversidad de centros activos. Deben ser sistemas que tengan tanto la capacidad de transformar moléculas complejas como la de almacenar gases y separalos, ya sean de interés, como el hidrógeno, o contaminantes, como el anhídrido carbónico. ¡Y… además deben ser sustentables!

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MATERIALES PARA EL PETRÓLEO

Ramiro Pérez Campos Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada-UNAM

Santiago de Querétaro, Querétaro ramirop21@gmail.com

1. La Energía

En el futuro inmediato y mediato la industria del petróleo y derivados se mantendrá como la principal oferente de insumos a los sectores eléctricos, transporte, industrial y residencial. De aquí que las naciones que cuenten con reservas importantes de petróleo y con la capacidad apropiada de refinación y de petroquímica, habrán de obtener ventajas comparativas en los mercados internacionales.

2. Gas natural

Por las características ambiéntales, se espera que el gas natural sea empleado de manera intensiva en la economía. De preservarse la tendencia en el consumo de gas natural en los sectores eléctrico e industrial, éstos demandarán el 84% del total de gas consumido en nuestro país al 2025.

Por lo anterior, para satisfacer el nivel de demanda de gas, se requerirá hacer importantes esfuerzos en exploración, fundamentalmente en la extracción de gas no asociado, o compensar el déficit mediante su adquisición del exterior.

El estado avanzado de explotación de los principales campos en México, así como el incremento acelerado de la demanda de gas y crudo en el país, nos llevan a un punto en el que la exploración y la explotación son críticas e impostergables para satisfacer la demanda nacional.

La necesidad de incorporar nuevas reservas de crudo y gas nos obligan a continuar explorando, no sólo las partes terrestre y marina somera, sino también explorar y explotar yacimientos en aguas profundas. La localización y extracción de hidrocarburos necesitará nuevas tecnologías, además de buscar paralelamente fuentes alternas de energía.

3. Reservas

Las reservas probadas de petróleo crudo y gas se han visto reducidas drásticamente en los últimos diez años, ya que en el año 2000 se tenían 25,070 millones de barriles de petróleo crudo equivalente (MMbpce), y en 2011 PEMEX reporta la cifra de 13,796 MMbpce, es decir, las reservas han caído prácticamente a la mitad durante este período.

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Lo anterior se debe principalmente a la baja inversión en exploración, ya que durante este período, PEMEX Exploración y Producción le dedicó solamente el 9 % de su inversión total. Por tal razón, no ha sido posible lograr la meta de reponer al menos el 100% de las reservas extraídas en el año, lo cual resulta preocupante, pues simplemente se están agotando las reservas probadas descubiertas en años anteriores.

Si bien es cierto que en los últimos cinco años PEMEX ha dedicado mayores recursos a la exploración, este esfuerzo se ha enfocado mayormente a la Región Norte, la cual genera solamente el 4% de la producción total. En el año 2010 por ejemplo, de los 39 pozos exploratorios terminados, 22 fueron en la Región Norte, sin que ello hubiese significado un incremento sustancial en las reservas probadas.

4. Exploración

Desde hace 25 años la política petrolera se ha caracterizado por ejercer una mínima inversión en la industria y extraer los ingresos obtenidos por la venta de los hidrocarburos para ser transferidos por el gobierno federal a otros destinos, fundamentalmente al gasto corriente, tanto del gobierno federal, como de gobiernos estatales. Durante el último decenio la inversión total de PEMEX en relación con sus ventas pasó de casi 20 a 15 por ciento. Esta política afectó la capacidad de la empresa para reponer sus reservas y para desarrollar otras áreas de la industria.

Mientras el 70 por ciento de la inversión total de PEMEX se dedica a la extracción, tan sólo el 9 por ciento se destina a exploración, apenas el 9 por ciento a refinación, 8 por ciento al corporativo, y únicamente 3 por ciento a gas y petroquímica.

Adicionalmente, se ha privilegiado la extracción de crudo, por encima de las demás actividades petroleras, como exploración, refinación y petroquímica. Esta práctica trajo como consecuencia la caída de las reservas, de los petrolíferos y el deterioro de la planta industrial que permite la producción de los petroquímicos, que cada vez importamos en mayor volumen.

El futuro de la exploración en México responde directamente a la demanda nacional e internacional de hidrocarburos. En consecuencia, la exploración se debe intensificar en los próximos años para satisfacer la demanda creciente. En el pasado, la exploración petrolera tuvo un gran auge a partir de la expropiación petrolera hasta los años 50, dominada por levantamientos de tipo gravimétricos y magnetométricos. Más tarde, en los 60 y 70, por levantamientos sísmicos bidimensionales; en los 90 por levantamientos tridimensionales.

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Explotación

De acuerdo con la situación actual de los yacimientos en México, se tendrá que avanzar en técnicas de recuperación terciaria o mejorada con tecnologías no convencionales mediante el empleo de herramientas analíticas, numéricas y la aplicación de técnicas de interpretación interactiva. Esto es válido para los que se encuentran en una etapa avanzada de explotación, así como para los de reciente desarrollo, los que se localizan en aguas profundas, y aquellos que por el tipo de fluido o volumen de hidrocarburos han quedado marginados. Uno de los objetivos fundamentales de esta actividad es optimizar la explotación de los yacimientos antes mencionados.

En los próximos años se esperan grandes cambios derivados de nuevas tecnologías de perforación principalmente en el caso de aguas profundas. Algunas necesidades que se requiere cubrir para mantener o incrementar la producción y reservas de hidrocarburos, son:

Aplicación de técnicas en yacimientos en una etapa de explotación avanzada Activación de

campos marginales Evaluación de yacimientos con complejidad geológica Sistemas inteligentes Explotación de campos en aguas profundas Explotación de gas en yacimientos de carbón y en depósitos de hidratos de metano

De las necesidades de la industria petrolera en México tomando en cuenta el consumo nacional, el nivel de las exportaciones y la inestabilidad de los precios del petróleo en el ámbito internacional surge una serie de oportunidades en el desarrollo de tecnologías para el país. Entre ellas:

1. Incorporación de tecnologías de robótica, electrónica, sistemas inteligentes en las

diversas actividades de exploración y producción. 2. Mejorar las capacidades de adquisición de datos, interpretación y

procesado de información sísmica 3D, 4D.. 3. Utilización de tecnologías de perforación del tipo no convencional. 4. Incrementar la productividad de pozos en todos los tipos de yacimientos. 5. Mejorar la calidad de la información adquirida a nivel de pozo. 6. Desarrollo de un proceso de reingeniería de explotación de campos

marginales. 7. Exploración de cuencas no explotadas actualmente. 8. Aplicación de métodos gravimétricos y magnetométricos satelitales y de tipo

espacial. 9. Generación de herramientas propias para la exploración y la producción en aguas

profundas.

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10. Explotación de los yacimientos mediante instalaciones de producción automatizadas y robotizadas.

5. Producción

En la rama de explotación de hidrocarburos existen diversas tecnologías que deben ser consideradas para la incorporación de reservas y el mejoramiento de la producción. Actualmente se estima que los yacimientos que se consideran económicamente agotados contienen todavía alrededor de la tercera parte de su volumen original de hidrocarburos, y los nuevos o de reciente descubrimiento ofrecen dificultades para su explotación por su profundidad, complejidad geológica y tipos de fluidos.

Recuperación de hidrocarburos

Tradicionalmente los métodos de producción por agotamiento primario y secundario permiten recuperar in situ una parte del aceite de un yacimiento. En épocas pasadas esta situación no recibía mucha atención debido a que el aceite era relativamente fácil de encontrar y, en consecuencia, el costo de producción de un barril de aceite de un nuevo descubrimiento resultaba inferior al de un barril incorporado por métodos de recuperación terciaria o mejorada.

Dada la declinación de reservas y la baja probabilidad de localizar nuevos campos importantes, los productores han buscado incrementar la recuperación final de hidrocarburos de campos abandonados o en estado avanzado de explotación. Asimismo, la caracterización computarizada de yacimientos constituye una de las herramientas más importantes en los procesos de recuperación mejorada de petróleo. De hecho, el éxito de estos procedimientos depende, prácticamente, de aplicar la energía mediante los fluidos inyectados en el lugar, tiempo y volumen correctos. A futuro se considera que aquellos procesos que van más allá de una inyección de agua o gas simple, es decir, aquellas técnicas que involucren la recuperación de aceite mediante la inyección de algún fluido originalmente no encontrado en el yacimiento, serán los que ofrezcan mejores perspectivas para recuperar volúmenes adicionales de hidrocarburos. De estos métodos, los que deben tener mayor desarrollo en el futuro son, en primer lugar, los miscibles, dado que la investigación al respecto debe hacerlos económicamente atractivos y, en segundo lugar, los químicos, aunque deben desarrollarse primero polímeros más efectivos.

6. Necesidades y tecnologías

El análisis de la capacidad de producción de crudo en México, con respecto de la exportación y el creciente consumo nacional, nos hace reflexionar acerca de la importancia de la exploración en la industria petrolera, ya que de no incorporar nuevas reservas, nuestra capacidad de producción actual (2.7 MMBD) se podría ver disminuida de una manera muy importante en los próximos 10 años.

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7. Necesidades de exploración

La situación actual, así como la prevista sin nueva incorporación de reservas, llevan a la conclusión de que la exploración petrolera en México es crítica e impostergable. Para ello, se requerirá jerarquizar las necesidades exploratorias y mejorar e incorporar nuevas tecnologías en la búsqueda y explotación de hidrocarburos. En las actividades de exploración se requiere de manera prioritaria: Mejorar la resolución sísmica que nos permita tener una mejor imagen del subsuelo. Para ello se requiere mejorar las tecnologías de sísmica 3D y 4D. Localizar y delimitar nuevos yacimientos de gas. Las tecnologías para cubrir esta necesidad van desde la utilización de sensores remotos, modelado geoquímico, gravimetría, magnetometría, sísmica 3D y 4D, hasta empleo del modelado geológico detallado.

Explorar aguas profundas para la localización de nuevos yacimientos de hidrocarburos en tirantes de agua de más de 500 metros Las tecnologías a utilizar son: sensores remotos, modelado geoquímico, métodos potenciales, sísmica 3D y 4D, sísmica multicomponente sin olvidar áreas como la robótica para una mejor exploración de yacimientos a profundidades de más de mil metros de tirante de agua.

Si analizamos la inversión de PEMEX Exploración y Producción destinada a las cuatro regiones productoras (Norte, Sur, Marina sureste y Marina noroeste), encontramos que no existe correlación entre los montos de la inversión en cada región y su productividad. Por ejemplo, el 80 por ciento de los pozos exploratorios (destinados a incrementar el volumen de las reservas), son perforados en la Región Norte, mientras el 20 por ciento de la inversión restante se reparte en las otras tres regiones.

La caída en la producción total puede explicarse considerando que la mayor parte de los pozos han sido perforados en la Región Norte. Esto vuelve a resultar ilógico, dado que esa región tan sólo aporta el 9 por ciento de la producción nacional.

En el año 2000, en vísperas de iniciar el sexenio de Fox, el campo Cantarell aportaba el 49 por ciento de la producción nacional; entonces existían estudios que alertaban sobre la necesidad de otorgarle un trato especial a este yacimiento, por encontrarse ya en su etapa de madurez. En contraste, y sin estrategia inteligente alguna, el gobierno de Fox decidió aumentar la extracción, elevándola hasta el 63 por ciento durante 2003 y 2004, con lo cual se afectó la dinámica del yacimiento. De manera inmediata, empezó a declinar su producción de una forma no registrada en ningún yacimiento de su tipo en el mundo. De una producción de 2.2 millones de barriles diarios, en cinco años se redujo a un promedio de solo 500 mil barriles diarios. Todo ello se gestó por mantener el objetivo de priorizar la exportación del crudo aún cuando se afectase el desarrollo del país.

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La caída de la producción se debió en gran medida no solo a la declinación de los yacimientos, sino también al cierre forzoso de una cantidad importante de pozos causado básicamente por dos factores: la canalización del nitrógeno inyectado para mantener la presión del yacimiento y el incremento del nivel del acuífero que subyace a Cantarell, con lo cual se aumentó el contenido de agua en el crudo producido.

8. Refinación

Los productos obtenidos de la refinación del petróleo fueron durante todo el siglo XX, y lo seguirán siendo en el futuro cercano, la fuente más importante de energía primaria. Durante los primeros 80 años del siglo XX la preocupación central era producir combustibles de mayor calidad técnica, y satisfacer la demanda de los diferentes destilados requeridos. A partir de la década de los 70, se inicia una creciente preocupación por los efectos ambientales de las emisiones provocadas por los motores por lo que se inicia un largo proceso de cambio de las especificaciones de los destilados, lo que introduce modificaciones en los procesos y las tecnologías de la industria.

Actualmente, las principales motivaciones de la industria de la refinación en el mundo son: la creciente demanda de combustibles; la necesidad de procesar crudos más pesados y la necesidad de producir combustibles cada vez más limpios. En el caso particular de México, el Sistema Nacional de Refinación (SNR) fue concebido para satisfacer condiciones menos exigentes que las actuales. Las plantas se diseñaron para procesar crudos relativamente ligeros; la distribución de productos destilados se definió con base en un mercado para la gasolina, el diesel y el combustóleo sin que existieran especificaciones ambiéntales. Actualmente las fuerzas impulsoras de mayor impacto para la evolución del SNR son la necesidad de incrementar la participación de crudo pesado (crudo Maya) en las cargas; la satisfacción de la mayor demanda relativa de gasolina y diesel; la reducción en la producción de combustóleo por el decreciente mercado de este producto en las plantas termoeléctricas, y la elaboración de productos que cumplan las especificaciones ambientales. Pemex Refinación ha optado por la estrategia de reconfigurar sus refinerías mediante la introducción de nuevas plantas y modernización de las existentes. Con ello se espera lograr los propósitos descritos. Destaca la necesidad de reducir drásticamente el contenido de azufre en gasolina y diesel. En México no se construye una nueva refinería desde 1979, por lo que la capacidad de proceso de crudo del Sistema Nacional de Refinación, que actualmente se ubica en 1,540 mil barriles diarios (mbd) se ha estancado. Nuestra producción de alrededor de los 1,400 mbd de petrolíferos en los últimos años, tuvo un incremento marginal de alrededor de 60 mbd de gasolina, producto de las reconfiguraciones realizadas en las refinerías de Cadereyta y Madero. Este incremento resultó ínfimo, comparado con la evolución en las ventas de este combustible en los últimos años.

Durante 2004, se importaron 95 mbd de gasolinas, equivalentes a 15 por ciento de las ventas internas totales, y en 2010 las importaciones ascendieron a 379 mbd, que significaron el 47.3 por ciento. En 2010 el país gastó 10 mil 535 millones de dólares en compra de gasolinas a los Estados Unidos, ocho veces más de lo que se gastó en 2000.

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Construcción de nuevas refinerías con flexibilidad para procesar 100% crudo Maya y otras mezclas de crudos.

Dado el cambio en la demanda de combustibles, las nuevas refinerías se diseñarán para conversión total de residuales; para producir más olefinas mediante desintegración; para aumentar la capacidad de producción de componentes de gasolina reformulada; se tendrá un diseño con alta integración energética y con generación eléctrica. Asimismo, como parte de los esquemas de refinación, se integrarán plantas de tratamiento de efluentes y emisiones que garanticen su eliminación. Se incorporarán sistemas de suministro de agua, por tenerse problemas de disponibilidad de este recurso.

Construcción de refinerías limpias productoras de energía, e integración con plantas petroquímicas.

Los nuevos automóviles basados en celdas de producción de hidrógeno y energía eléctrica, sustituyen parcialmente la demanda de los combustibles tradicionales. En el futuro próximo el gas natural será importante materia prima de la refinería, ya que el hidrógeno y/o el metanol serán nuevos combustibles para el transporte, por lo que se producirán ambos compuestos por medio de la reformación del gas natural con vapor y/o de los residuales del petróleo. Es posible que si las especificaciones ambientales exigen combustibles ultralimpios, se disponga de plantas de conversión de gas a líquido. Con estos cambios el concepto de refinería en Petróleos Mexicanos pasa de ser una industria que consume crudo y produce destilados, a una que consume crudo y gas natural y produce energía (destilados, hidrógeno, electricidad). Los avances tecnológicos que se logren en el futuro próximo se reflejarán tanto en el concepto mismo de la refinación como en los procesos que estarán involucrados.

En cuanto a los avances tecnológicos, se tienen las siguientes consideraciones: • Se procesarán diversos tipos de crudo. • Se alimentará gas natural y biomasa como materia prima. • Las refinerías serán plantas productoras de energía (destilados, hidrógeno y electricidad). • Reglamentaciones ambientales tendrán las siguientes consecuencias:

1. Disminuirá la producción de combustóleo. 2. No se producirá coque. 3. No se producirá azufre. 4. La gasolina se mantendrá con niveles de azufre por debajo de 30 ppm. 5. No habrá prácticamente efluentes ni emisiones.

Los temas en nuevos posibles desarrollos tecnológicos podrían ser:

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Reducción de azufre en combustibles • Disminuir el contenido de azufre (30 ppm) con bajos costos será uno de los retos

tecnológicos críticos en la industria de refinación. • Procesos de separación de alta eficiencia • El desarrollo y adaptación de nuevos procesos de separación mediante el uso de

nuevos materiales como membranas naturales y/o sintéticas • Nanocatálisis y catálisis enzimática • Aunque aún se encuentra en una etapa incipiente, se tiene ya un desarrollo

acelerado en el mundo de la tecnología de nanomateriales. • Procesos catalíticos y catalizadores de alta eficiencia • La catálisis ha logrado en épocas recientes importantes avances,

especialmente en la posibilidad de diseñar catalizadores por computadora. • Procesos combinados reacción/separación (destilación reactiva) • Tecnología de control inteligente en línea • Desarrollos paralelos en tecnología de control de procesos. • Combustibles novedosos • Transformación del metano (gas natural) • A mas largo plazo se esperan desarrollos tecnológicos en: • Desarrollo de procesos biológicos • Dominio de la tecnología de procesos biológicos, similares a los que se

desarrollan en los seres vivos (catálisis enzimática, membranas, plasma, etcétera).

• Operación, supervisión y control robótico 9. Petroquímica

La petroquímica es la industria que se encarga de transformar químicamente fracciones del petróleo y del gas natural en materiales artificiales, ya sea intermedios o productos finales, de mayor valor agregado. Las materias primas básicas para la petroquímica son: 1) gas natural (metano y etano); 2) olefinas ligeras de refinación; 3) gas licuado de petróleo (propano y propileno), y 4) nafta del petróleo (aromáticos). La industria petroquímica mexicana nació en la década de los 50 y tuvo un importante desarrollo a partir de la siguiente década. En el caso particular de Pemex Petroquímica, sus plantas de procesamiento se concibieron y diseñaron principalmente en el periodo 1976-1985, y posteriormente se han introducido mejoras tecnológicas para aumentar la capacidad de procesamiento. Sin embargo, por la ausencia de inversiones significativas, sólo se han agregado innovaciones tecnológicas marginales y no se han incorporado las innovaciones en tecnologías de proceso que se han dado en el mundo en los últimos 20 años. Desde 1996, Pemex Petroquímica opera con empresas filiales, y cada una corresponde a un complejo petroquímico. A partir de 1996 se ha venido presentado un descenso importante en las utilidades de Pemex Petroquímica.

Desde inicios de los años ochenta, lejos de construirse nuevas plantas, por el contrario, se ha cerrado al menos 32 de ellas en las unidades y los complejos petroquímicos de Petróleos Mexicanos, lo que ha ocasionado una pérdida en la serie de las cadenas productivas. Asimismo, las plantas que aún operan, se encuentran trabajando

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solo entre el 60 y 80 por ciento de su capacidad. Para abastecer el consumo interno en crecimiento se tuvo que recurrir a las importaciones, que durante 1998 fueron de 6,158 millones de dólares, hasta 26,380 millones de dólares en 2010; es decir, el valor de las importaciones creció más de cuatro veces.

Viendo nuestro mercado en perspectiva, durante 1998 la oferta de origen mexicano cubrió el 72 por ciento del consumo interno, mientras que en 2008 la cobertura disminuyó a un 51 por ciento.

Durante la primera década del presente siglo, el saldo de la balanza comercial en petroquímicos ha sido crecientemente negativo. Entre 1998 y 2008, el déficit subió de 3 millones 422 mil, a 10 millones 600 mil toneladas. Pero en valor creció de 3 mil 559 millones de dólares en 1998, a 17 mil 079 millones en 2010. En otras palabras, el déficit en la balanza de petroquímicos entre 1998 y 2010, se quintuplicó en su valor.

10. Situación de la petroquímica en Pemex

La industria petroquímica en México se encuentra en una etapa crítica en la que el futuro del negocio depende en gran medida de las definiciones políticas en cuanto a la participación de Pemex y de la inversión privada en el sector. Entre las condiciones que se requieren para mejorar la situación de la Petroquímica destaca:

Un programa a largo plazo de modernización tecnológica de sus instalaciones, entre las necesidades: 1. Aumentar la escala de producción y modernizar un buen número de plantas para hacerlas más competitivas y rentables. 2. Modificar algunos procesos (como el de propileno en Morelos) para producir otros polímeros de mayor calidad y valor. 3. Trasladar y concentrar algunas plantas para hacerlas más rentables. 4. Cerrar plantas con muy baja viabilidad económica. 5. Instalar nuevas plantas de etileno con base en la pirólisis de pentanos y naftas para abrir el abanico de productos y aumentar la disponibilidad de olefinas y aromáticos.

Aún cuando la participación del sector privado en Pemex Petroquímica se encuentra en discusión en el ámbito gubernamental, bajo cualquier escenario será necesario realizar modificaciones tecnológicas sustanciales para hacer sus operaciones más rentables en el largo plazo.

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11. Industria petrolera

La industria petrolera se mantendrá como la principal fuente de suministro de energía en México. En los próximos 25 años, la competitividad del sector petrolero mexicano en el ámbito internacional dependerá fundamentalmente de la disponibilidad de tecnología de punta. El desarrollo de capacidad de innovación del sector petrolero estará determinado por la eficacia y oportunidad con que incremente, administre y aplique las nuevas tecnologías desarrolladas. La demanda de combustibles derivados de los hidrocarburos continuará creciendo en el futuro.

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MICELIZACIÓN, SOLUBILIZACIÓN Y MICROEMULSIONES EN EL ENTORNO DE LOS MATERIALES SUSTENTABLES

Jesús Gracia Fadrique Facultad de Química. UNAM

México DF, México jgracia@unam.mx

La investigación en el ámbito de las superficies fluidas, tiene por objeto y tema central el estudio de superficies fluidas de tipo líquido/vapor y liquido/líquido y las consecuencias tecnológicas que se derivan de estas áreas del conocimiento. En este terreno destacan principalmente la selección, estructura y propiedades de los tensoactivos en disolución acuosa (substancias que disminuyen la tensión superficial) y es sobre este ámbito de aplicaciones que los parámetros de mayor relevancia recaen en la variación de la tensión superficial en función de la concentración de tensoactivo y los eventos energéticos y estructurales que de aquí se derivan; especialmente, cuando ocurren fenómenos de agregación molecular que conducen a la formación de micelas, microemulsiones y liposomas, que se corresponden con agregados moleculares específicos, las cuales están acompañadas con estados termodinámicos definidos por la saturación de una superficie. Entre los parámetros de mayor importancia destacan las energías que controlan el proceso de adsorción y de micelización. Procesos como la humectación, la dispersión de sólidos en líquidos, la lubricación, la espumación, la humectación, las transiciones de mojado, la detergencía, la lubricación, están regidos por la estructura y propiedades anfifílicas de estas moléculas. Es importante destacar que la periodicidad de estas propiedades es consecuencia de las porciones atractivas y repulsivas en el medio ambiente del disolvente en que se encuentran y donde el caso principal, lo representa el medio acuoso. Las variaciones en temperatura y composición de terceros componentes, influyen de manera determinante y aguda en las propiedades superficiales de los tensoactivos en solución, es especialmente importante el caso de electrolitos en solución cuyas propiedades incrementan la actividad superficial, fenómeno que también ocurre con el aumento en la temperatura. Sin embargo, este fenómeno depende de las características estructurales del tensoactivo cuyas variaciones en actividad superficial están íntimamente relacionadas a la solubilidad del material que compite con la actividad superficial.

La presencia de una segunda fase fluida pero parcialmente miscible con el agua conduce al estudio de una gran variedad de fenómenos en los cuales la interface agua/aceite (genérico de la fase con miscibilidad parcial en agua) como es el caso de las emulsiones, microemulsiones, lisosomas, liposomas y espumas bilíquidas, entre otros. Un caso actual de especial importancia es la recuperación terciaria de petróleo que consiste en la remoción del crudo en matrices sólidas para su posterior fluidización y transporte. Este proceso de estudio actual en el ámbito de la sustentabilidad energética mundial, representa una problemática que afronta el reto de la extracción de crudos pesados en yacimientos maduros o fracturados como es el caso de México. Lograr un proceso de recuperación terciaria de petróleo es resultado de la investigación de estados termodinámicos bien definidos como son el lograr construir estados de tensión

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interfacial ultra bajos, donde el tensoactivo opera como actor principal de esta tecnología, siempre y cuando pueda desempeñar continuar su función en las condiciones de yacimiento: bajo condiciones de salinidad extrema y temperatura de yacimiento. Estos estados de tensión interfacial ultra bajos permiten el desprendimiento del crudo de una matriz porosa, constituida por minerales principalmente carbonatados que soportan la masa de petróleo y donde la temperatura y salinidad tienen que constituirse en variables auxiliares para abatir la tensión interfacial entre el agua y el aceite; para esto, se requiere como primer paso controlante la humectación de la roca para substituir el medio oleoso por el medio acuoso y remover el crudo del extractó sólido en que se encuentra.

En general los estudios en este ramo, requieren del estudio y predicción de propiedades relacionadas con el comportamiento de la tensión interfacial como función de la concentración del tensoactivo, así como las variaciones sucesivas e actividad, producidas por el concurso de diferentes electrolitos más el efecto de la temperatura en estos sistemas componentes. Es bajo este escenario, que se demanda el estudio de los diagramas de equilibrios de fase, el reparto del tensoactivo entre fases, aunado al seguimiento de la tensión interfacial en la triple interfase sólido/agua/aceite. La búsqueda sistemática de estados termodinámicos, que respondan a esta necesidad, constituye la base de las tecnologías destinadas a la recuperación mejorada de petróleo mediante tensoactivos.

La tensión superficial o interfacial en sí, es un parámetro termodinámico que indica la energía de superficie por unidad de área en la frontera de separación de un líquido en contacto con su propio vapor. La tensión interfacial corresponde a la energía de superficie de un líquido frente a otro líquido. Los procesos de remoción, emulsificación y desprendimiento de un líquido de una matriz sólida, dependen de la disminución de las energías superficial e interfacial; disminución que se logra mediante el uso de estos anfifilos o tensoactivos (surfactantes: surface active agents) materiales con doble carácter interactivo hacia el agua y el aceite. La actividad superficial de estos componentes depende de su estructura y concentración, de la constitución de los líquidos que forma la interfase, de la temperatura, la presión y la participación de terceros componentes, especialmente electrolitos. Uno de los aspectos más relevantes de estos materiales es su capacidad para formar agregados ordenados o micelas, que constituyen la base de diversos procesos.

En las tecnologías sobre recuperación mejorada de petróleo, la búsqueda de estados de tensión interfacial ultra bajos, representan la base de los procedimientos de extracción ya que el tensoactivo, primero en fase acuosa, se distribuye en las fases presentes y posteriormente, forma agregados moleculares en solución que operan como micro aceptores de material hidrocarbonado. El uso de tensoactivos en la recuperación de petróleo presenta como ventaja la baja concentración de operación (ppm) pero una notable desventaja consiste en la dependencia con la temperatura y concentración de electrolitos para permanecer en solución; a ciertas condiciones de temperatura y concentración, el tensoactivo o mezcla de tensoactivos, pueden ingresar a un estado de insolubilidad y por tanto, anular la actividad superficial.

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Las condiciones peculiares de cada pozo requieren de un proceso de selección, evaluación y operación única de los tensoactivos que se suministran en agua congénita y que responden a las condiciones particulares de temperatura presión y salinidad del yacimiento. El caso de yacimientos fracturados, introduce variables adicionales de mayor complejidad, dada la presencia de una tercera interface sólida que conforma una matriz con propiedades características y morfología propia, en donde es necesario considerar las propiedades hidrofóbicas o hidrofílicas del sólido frente al agua y el aceite. Es bajo este panorama que el tratamiento del yacimiento demande incluir parámetros como son: la tensión superficial, tensión interfacial, solubilidad en función de temperatura, ángulo de contacto, concentración y tipo de electrolitos junto con las propiedades químicas y morfológicas de la roca. Es determinante en estos procesos, conocer los diagramas temperatura-composición de los tensoactivos destinados a la remoción de petróleo y la variación de sus regiones de equilibrio frente a los electrolitos presentes en el yacimiento y polímeros si se trata de la modificación de la viscosidad del medio acuoso.

El conocimiento científico y generación de tecnologías en este ramo, demanda instrumentos de nueva generación y conocimientos emergentes para la producción y manejo de tensiones interfaciales ultra bajas ,así como el estudio de propiedades de superficie de fases fluidas en contacto con sólidos dirigidos al ámbito de la recuperación terciaria de petróleo, junto con el diseño y producción de micelas ,liposomas y en general el entorno de la nanotecnología derivada de los tensoactivos especializados en diferentes áreas del conocimiento científico, no solo en el campo de la producción de petrolera, sino en terrenos propios de la medicina, la agricultura y medio ambiente. A diferencia de otros países que han creado y fomentado el desarrollo científico en esta área del conocimiento, México no posee centros de investigación específicos cuya vocación corresponda al estudio de los fenómenos interfaciales en sus diferentes vertientes.

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MATERIALES FOTOCATALÍTICOS PARA APLICACIONES AMBIENTALES

Monserrat Bizarro Sordo Instituto de Investigaciones en Materiales, UNAM México

DF, México mont@iim.unam.mx La contaminación ambiental es un problema crítico que se ha incrementado por muchos factores. El crecimiento acelerado de las zonas urbanas cada día aumentan la cantidad de residuos que no son desechados adecuadamente; las industrias, que a falta de normas más claras y exigentes siguen desechando gran cantidad de compuestos químicos en el agua sin un tratamiento adecuado; y a nivel más individual, la falta de conciencia ecológica que se ve reflejada en la acumulación de basura en vías públicas, jardines, etc. Todo esto ha deteriorado notablemente nuestro entorno y la salud de la población. Aunado a esto, la escasez del agua agudiza la situación, por lo que no basta con tomar medidas para el ahorro del vital líquido, sino que debe recuperarse y darle un tratamiento adecuado para su reutilización. No es tarea fácil, pues la cantidad de compuestos químicos no biodegradables es cada vez mayor. Lo cierto es que los temas relacionados con la contaminación del agua, aire y suelos, son temas que requieren atención urgente y se necesitan acciones para disminuir el impacto ambiental causado por el hombre. En este sentido, existen muchos aspectos que se pueden abordar desde el punto de vista de la Ciencia e Ingeniería de Materiales con el fin de proponer soluciones a los problemas antes mencionados. Simplemente hay que pensar en el diseño y la obtención de materiales que favorezcan la sustentabilidad.

Existen ciertos materiales que se están considerando como buenos candidatos para aplicaciones ambientales, estos son los llamados “materiales fotocatalíticos” o fotocatalizadores. Estos son materiales semiconductores que tienen la capacidad de absorber luz y que al estar en contacto con un medio en fase líquida o gaseosa pueden iniciar reacciones de oxidación y reducción. Su capacidad oxidativa y reductora los hace idóneos para degradar compuestos orgánicos contaminantes. Los fotocatalizadores son generalmente óxidos o calcogenuros, como son el TiO2, ZnO, Fe2O3, CdS, ZnS, Bi2O3, etc. De todos ellos, el óxido de titanio es el más estudiado debido a que fue el primer material en donde se observó este efecto. En 1972 Fujishima y Honda descubrieron la separación fotocatalítica del agua en un electrodo de TiO2 al ser expuesto a luz ultravioleta. Desde entonces se han dedicado grandes esfuerzos en el estudio de este material, que han llevado a diversas aplicaciones muy prometedoras. Éstas pueden dividirse en dos categorías: la ambiental y la relacionada con la producción de energía.

A pesar de que las investigaciones sobre el TiO2 ya pasan las cuatro décadas, el interés actual reside en estudiar sus propiedades a nivel nanométrico. Existen diversas propiedades que se ven modificadas cuando las dimensiones se reducen a escalas nanométricas, como el transporte electrónico que queda gobernado por el confinamiento cuántico, o el transporte de fotones y fonones que se ve afectado por el tamaño y geometría del material. El área superficial específica y la razón superficie/volumen aumentan dramáticamente cuando el tamaño del material se reduce. Por lo que el desempeño de un dispositivo basado en TiO2 estará influenciado enormemente por el

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tamaño de las partículas que lo conformen. Dado que los procesos catalíticos son fenómenos superficiales, mientras mayor sea el área de contacto del catalizador con los productos a reaccionar, más eficiente será la reacción. Esta es la importancia de obtener nanomateriales con propiedades fotocatalíticas que puedan aplicarse en la remediación ambiental.

El proceso de degradación fotocatalítica de contaminantes consiste en exponer al semiconductor a luz con energía adecuada (mayor o igual que su brecha de energía prohibida), con la cual se promueve un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. Esto genera un par electrón-hueco (el electrón con carga negativa en la banda de conducción, e-

bc y un hueco con carga positiva en la banda de valencia, h+

bv). Estas especies pueden migrar a la superficie del semiconductor, donde interactúan con otras especies presentes. Generalmente el hueco h+

bv reacciona fácilmente con el agua de la superficie produciendo radicales ·OH, mientras que el electrón e-

bc reacciona con el O2 para producir el radical superóxido O2-· . Esta reacción previene la recombinación de los pares producidos y a su vez, los radicales formados reaccionan con los compuestos contaminantes, descomponiéndolos en moléculas más pequeñas hasta llegar a CO2 y agua.

La aplicación de los semiconductores fotocatalíticos en la degradación de contaminantes ha sido muy exitosa para una gran cantidad de compuestos químicos, como alcanos, alcoholes alifáticos, ácidos carboxílicos aromáticos, fenoles, colorantes, surfactantes, entre otros; y en muchos casos se ha logrado la mineralización completa de estos compuestos orgánicos. Es por esto que ha crecido el interés de estos materiales como método para revertir la contaminación. En particular, se están haciendo grandes esfuerzos para aplicarlos en el tratamiento de agua, ya que muchos de estos compuestos no se pueden degradar utilizando los métodos biológicos convencionales de tratamiento.

Las principales aplicaciones de los fotocatalizadores, en particular del TiO2, en el aspecto ambiental son el tratamiento, desinfección y purificación del agua; la deodorización, la purificación de aire, como agente bactericida y fungicida, y en la limpieza de superficies. A continuación se describen brevemente cada una de estas aplicaciones.

Tratamiento de agua

Este es uno de los rubros de mayor importancia por su impacto social. Basta con conocer un poco algunas cifras para que nos demos cuenta de la magnitud del impacto. Según datos de la Comisión Nacional del Agua en 2010, en México la extracción de agua de mantos profundos ascendió a 29.5 km3 al año. De este volumen, el 76.8% es para fines agropecuarios, el 14% es para el abastecimiento público y el 9.2% es de uso industrial. Las industrias en todo el país descargan alrededor de 6 km3/año (190 m3/s) de aguas residuales. Esto equivale a más de 7 millones de toneladas de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) al año, de las cuales sólo el 18% se remueven mediante los sistemas de tratamiento con los que cuenta el país. Las industrias que contribuyen con mayor carga de contaminantes son la azucarera (28%), la petrolera (19%) y la agropecuaria (17%). Sin embargo, otro sector muy contaminante es

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la industria textil, por la gran cantidad de colorantes y tintas que utiliza durante el proceso de teñido de las telas. Los colorantes son moléculas sumamente estables, pues están hechas para resistir lavadas, el desgaste, el sol, etc. Además no son biodegradables y aún en concentraciones bajas pueden pintar grandes volúmenes de agua que se vierten a los efluentes sin tratamiento adecuado. Esto ocasiona que los rayos del sol no penetren en el agua y se impide la fotosíntesis, alterando los ecosistemas acuáticos. Por otro lado, como los colorantes no son biodegradables los procesos de tratamiento de agua no pueden removerlos. Muchos estudios se enfocan precisamente en la obtención de fotocatalizadores capaces de descomponer de manera eficiente este tipo de moléculas presentes en el agua residual. Para que un material fotocatalítico sea adecuado para esta aplicación debe cumplir ciertos requisitos. En primer lugar, su eficiencia en la degradación debe ser muy alta, con el fin de que se remuevan los contaminantes en el menor tiempo posible. En segundo lugar, debe ser estable químicamente y no tóxico para que pueda emplearse sin problema en el saneamiento de agua ya sea para reutilización o para potabilización. Finalmente, deben considerarse otros aspectos para que el proceso sea más rentable, como su facilidad de producción, su tiempo de vida útil, su costo, etc.

Los fotocatalizadores en polvo nanométrico han resultado muy eficientes para degradar contaminantes orgánicos por la gran área superficial que presentan; sin embargo, para el tratamiento de agua, es conveniente tener los materiales fotocatalíticos anclados en un sustrato, pues así se evitarían los procesos de separación del catalizador en polvo del agua limpia. Por tal motivo, se está tratando de obtener nanopartículas fotocatalíticas soportadas en un sustrato o bien producir películas delgadas con esta misma propiedad. De esta manera al terminar el proceso de degradación se puede extraer el sustrato de manera inmediata sin necesidad de decantar, filtrar o centrifugar el agua para separar el polvo catalizador. La desventaja de esta opción radica en que el área superficial disminuye notablemente, por lo que la eficiencia también disminuye. Por eso se busca obtener películas rugosas, porosas y nanoestructuradas que aumenten el área superficial que esté expuesta a los contaminantes.

Por otro lado, para que el proceso sea completamente amigable con el ambiente, es deseable que el material pueda absorber luz en el intervalo visible del espectro, con la finalidad de aprovechar mayor parte del espectro solar. La radiación solar tiene únicamente un 5% de energía ultravioleta, por lo que el resto de la radiación no es aprovechada por muchos fotocatalizadores como el TiO2. Los retos también incluyen la modificación del material para que sean capaces de absorber luz visible. Esto se ha logrado en muchos casos introduciendo impurezas a la matriz del fotocatalizador, con lo que o bien se reduce la brecha de energía prohibida, o bien se introducen estados localizados dentro de ella que permiten la excitación del material con menor energía. De esta manera se pueden evitar las fuentes externas de luz UV, con lo que el ahorro de energía es mucho mayor.

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Desinfección y purificación de agua

Se ha reportado también la capacidad del TiO2 y de otros fotocatalizadores para inactivar microorganismos, bacterias y hongos. Esto es una ventaja más de estos materiales sobre otros procesos de tratamiento, es decir, no sólo remueven contaminantes sino también son capaces de eliminar bacterias contenidas en el agua. Se han hecho pruebas por ejemplo con la bacteria Escherichia Coli, bacteria muy resistente y causante de enfermedades gastrointestinales. Al poner en contacto un cultivo de E. coli con TiO2 iluminado con luz UV se logra inactivar y destruir estas colonias en tiempos razonablemente cortos. Lo mismo se ha observado en hongos y otros microorganismos.

Purificación de aire

Las superficies fotocatalíticas tienen el potencial para actuar contra una gran diversidad de contaminantes en el aire, como microbios, carbono orgánico volátil (VOC), formaldehido, amonio, gases inorgánicos como NOx, SOx, conversión de CO a CO2, etc. Las aplicaciones contemplan componentes fotocatalíticos en filtros de aires, sistemas de ventilación y aires acondicionados. Sin embargo, algunos procesos fotocatalíticos están asociados con cierta producción de ozono (O3). Aunque se produce en pequeñas cantidades, se debe poner atención en este aspecto.

Autolimpieza de superficies

Los materiales fotocatalíticos pueden además exhibir la propiedad de súper hidrofilicidad foto-inducida. Esto ocurre cuando se expone el fotocatalizador a luz UV, al estar en contacto con agua se evita que se formen gotas. Se forma una capa homogénea que moja por completo la superficie, penetrando debajo de las partículas de mugre. Esto hace que la superficie se limpie fácilmente. Esta propiedad se aplica a superficies como ventanas y superficies exteriores, pues al recibir durante todo el día radiación solar, éstos estarían activados un gran número de horas en las que se puede llevar a cabo esta “autolimpieza” simplemente con agua de lluvia y previniendo la proliferación de microorganismos y partículas contaminantes productos de la combustión de combustibles fósiles. Se pueden cubrir diferentes tipos de superficies como vidrios, domos de policarbonato, e incluso paredes o materiales de construcción. Producción de energía limpia

La energía solar es un recurso natural inagotable y abundante. La tasa de consumo de energía primario en el mundo en el 2008 fue de 15 TW.

Si el 1% de la irradiancia del sol que recibe la superficie de la tierra se convirtiera en energía eléctrica con un 10% de eficiencia, proveería una fuente de recursos de 105 TW (10 veces más el aumento de consumo de energía mundial estimado para el 2050). Dicho en otras palabras, si el máximo teórico de energía solar consumible es de ~1.22x105 TW, entonces sólo con una hora de irradiación solar sería suficiente para cubrir el consumo anual de energía a nivel mundial. Para tener una idea más clara, la energía extraíble del viento es de 2-4 TW.

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Por lo tanto, para resolver problemas fundamentales relacionados con la preservación del ambiente y el consumo de energía es necesario desarrollar nuevas tecnologías para la conversión fotoquímica y almacenamiento de energía solar.

El hidrógeno se considera un combustible ideal para el futuro. Además se puede producir mediante fuentes limpias y renovables, como la energía solar o eólica. Actualmente sólo el 5% del hidrógeno se obtiene mediante la electrólisis del agua, el otro 95% se obtiene a partir de combustibles fósiles.

La producción de hidrógeno a partir de la separación fotocatalítica del agua usando TiO2 (u otros fotocatalizadores) y energía solar es una alternativa limpia, de bajo costo y amigable con el ambiente. El proceso es semejante que para la purificación de agua. Se requiere la foto-generación de pares electrón-hueco. Sin embargo, para la producción de hidrógeno lo que importa son los electrones en la banda de conducción, pues reducen los protones a moléculas de H2. El nivel de la banda de conducción debe ser más negativo que el nivel de evolución de hidrógeno (EH2/H2O) para iniciar la producción de hidrógeno. Por lo que se deben buscar materiales que satisfagan este requisito. Uno de los materiales bajo estudio actualmente que podría funcionar es el Bi2O3, por ejemplo.

Estas son algunas de las aplicaciones más importantes de los materiales fotocatalíticos, todas ellas con fines de mejorar y/o limpiar el medio ambiente. Existen actualmente algunas empresas que ya comercializan el TiO2 para fines de autolimpieza de superficies y materiales de construcción. Estas empresas son mayoritariamente japonesas, pero ya existen también algunas europeas. A nivel de tratamiento de agua ya existen prototipos y una investigación intensa en los procesos para llegar a una aplicación en grandes volúmenes. Sobre todo se investiga el uso de reactores solares para hacer más sustentable el proceso completo. Sin embargo en el área de producción de hidrógeno, los estudios aún son incipientes y fundamentalmente en ciencia básica. Por lo que existe una gran ventana de oportunidad, sobre todo para nuestro país que cuenta con una posición privilegiada en el globo terráqueo en la que recibimos radiación solar durante todo el año.

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Referencias

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• D.P. Macwan, P.N. Dave, S. Chaturvedi. J. Mater Sci 46 (2011) 3669-3686. • M.A. Rauf, S.S. Ashraf. Chem. Eng. J. 151 (2009) 10-18. • M. Ni, M.K.H. Leung, D. Y.C. Leung, K. Sumathy. Renew. Sust. Energy Rev.

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SUSTENTABILIDAD MEDIANTE LA OPTIMIZACIÓN EN LA SELECCIÓN Y EL DISEÑO DE MATERIALES

Ismeli Alonso López Universidad Autónoma del Carmen

Ciudad del Carmen, México ialfonso@iim.unam.mx

Resumen

En el presente trabajo se muestra un análisis de la importancia que tiene la relación sustentabilidad-competitividad, así como investigaciones relacionadas con el uso de materiales metálicos sustentables, específicamente aluminio, hierro (acero) y magnesio, los metales estructurales más abundantes en la corteza terrestre. Estos metales tienen una amplia gama de aplicaciones, gracias a sus propiedades mecánicas y posibilidades de reciclado, que les permiten formar parte de los materiales sustentables, y a los cuales debemos prestarle más atención. Asimismo se detalla la importancia del uso de métodos de modelación y simulación de materiales, estructuras y dispositivos, para lograr su optimización y elevar la sustentabilidad en su operación mediante el diseño. Después de haber realizado un análisis de las potencialidades de los materiales y el diseño, y los avances logrados en estas áreas en México, se proponen algunos temas para proyectos de investigación que pudieran apoyar en el nivel de competitividad y sustentabilidad del país.

1.Introducción En el mundo moderno es cada día más importante la correcta explotación de los recursos naturales, dígase minerales, forestales, acuícolas, etc., pretendiendo su protección, uso adecuado y reciclado, con un mínimo impacto ambiental. Este tema se ha englobado en un concepto: la sustentabilidad. El término sustentabilidad refiere al equilibrio existente entre una especie con los recursos del entorno al cual pertenece. Básicamente, la sustentabilidad, lo que propone es satisfacer las necesidades de la actual generación pero sin que por esto se vean sacrificadas las capacidades futuras de las siguientes generaciones de satisfacer sus propias necesidades, es decir, algo así como la búsqueda del equilibrio justo entre estas dos cuestiones. La sustentabilidad para una sociedad, significa la existencia de condiciones económicas, ecológicas, sociales y políticas, que permitan su funcionamiento en forma armónica en el tiempo y en el espacio.

No puede haber sustentablidad en una sociedad cuando se están destruyendo o terminando los bienes de la naturaleza, o cuando la riqueza de un sector se logra a costa de la pobreza de otro.

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Debe existir sustentabilidad ecológica y socio económica y consiste en mantener un equilibrio entre la necesidad del ser humano a mejorar su situación física y emocional, y la conservación de los recursos naturales y ecosistemas que sustentarán la vida de la futura generación. [Fuente: www.ecologismo.com]

Uno de los principales retos que enfrenta México en materia de desarrollo sustentable es incluir al medio ambiente como uno de los elementos de la competitividad y el desarrollo económico y social. Entre los factores clave del desarrollo sustentable, se encuentra el crecimiento poblacional, la demanda energética, el cambio climático, la escasez de recursos y del agua, y el manejo de residuos. En 1987, el desarrollo sustentable fue presentado formalmente por la Comisión Mundial de Medio Ambiente y Desarrollo de Naciones Unidas, como una alternativa al desarrollo socioeconómico tradicional, causante de graves daños ambientales al planeta. En los últimos años, la perspectiva de los negocios ha cambiado, pues no sólo deben enfocarse a los beneficios económicos. Para calificar a una empresa, ahora los inversionistas no sólo consideran los datos financieros, sino otros factores que están implicados en los temas de desarrollo sustentable, por lo que no es exagerado considerar que en los próximos años las cuestiones de sustentabilidad y cambio climático serán el nuevo escenario competitivo de los negocios y un fuerte elemento por el que los indicadores financieros valuarán a las organizaciones, por lo que es crucial estar preparados para asumir este nuevo reto.

Un factor que sin duda ha metido al desarrollo sustentable en los planes de negocio de las organizaciones es la presión que los inversionistas han hecho últimamente, con la creación de índices que miden el buen gobierno, y que empiezan a tener un peso considerable en la valuación de una empresa. El impacto de todos estos cambios se ha empezado a sentir en nuestro país; México, como país, no es uno de los grandes emisores de gases de efecto invernadero, pues sólo emitimos el 1.5 por ciento a nivel mundial. No obstante, nuestras emisiones han crecido un 40 por ciento de 1990 al 2008, por lo que, a través de acciones federales concretas, como el Programa Especial de Cambio Climático (PECC), nuestro país se ha comprometido con el desarrollo sustentable al reducir un 50 por ciento del total de sus emisiones para el 2050 de contar con financiamiento internacional.

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Un hito para la adopción del desarrollo sustentable en nuestro país será la creación del Índice de Sustentabilidad de la Bolsa Mexicana de Valores, pues con esto, el sector financiero de nuestro país se suma al esfuerzo de otras economías para poner un valor bursátil a las ideas verdes. La BMV puso el reto a las emisoras de que sean sustentables y que, a consecuencia de esto, desde finales de agosto del año pasado se inició un proceso de calificación de alrededor de medio centenar de empresas que cotizan en ella para que puedan pertenecer a dicho Índice. Cuando una empresa se encuentra inmersa en un escándalo, ya sea de índole social o ambiental, su imagen resulta afectada de manera considerable, e incluso, puede llegar a formar parte de una categoría negativa de dichos índices, por lo que las compañías públicas que ingresan a estos indicadores deben ser conscientes de que mantenerse en ellos implica un balance entre los diferentes actores sociales. El vínculo que existe entre el desarrollo sustentable, la protección al medio ambiente y el comercio internacional es muy estrecho. La preservación de la ecología y los avances científicos se han convertido en algunas de las prioridades de los miembros de la comunidad internacional. [Fuente: Secretaría de Economía]

La sustentabilidad involucra de manera significativa a la competitividad, ya que un aumento de ésta innegablemente beneficia factores claves que se toman en cuenta al medir la sustentabilidad. El modelo de las organizaciones actualmente debe visualizarla en un contexto integral, a través de un enfoque a resultados de competitividad y sustentabilidad, la mejora continua, innovación, flexibilidad y agilidad y, la creación de valor, como principios que orientan hacia la competitividad y sustentabilidad de la organización. [Fuente: http://www.promexico.gob.mx/desarrollo-sustentable/]

En México, así como en toda América Latina, se han venido realizando importantes esfuerzos para aumentar la competitividad. Puede decirse que la competitividad es la capacidad de un país o región para atraer y retener inversión y talento. Los factores críticos para aumentar la productividad y la competitividad están algunos relacionados con la sustentabilidad, y específicamente con la educación y la ciencia, que son:

- Manejo sustentable de los recursos. - Innovación - Sociedad incluyente y preparada

En el Informe Anual de Competitividad Global 2011-2012 del Foro Económico Mundial (WEF por sus siglas en inglés) que evalúa a 142 países, México fue ubicado en la posición 58, lo que representa una mejora de 8 lugares con relación al reporte anterior, como puede apreciarse en la tabla mostrada a continuación.

Fuente de las tablas presentadas: Informe Anual de Competitividad Global 2011- 2012

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De los doce pilares que componen el ranking del WEF México mejoró en 10 de ellos, resaltando la mejora de 15 posiciones en el Pilar Innovación, en el que se pasó del lugar 78 al 63. Asimismo, se mejoró once posiciones en los pilares Infraestructura y Sofisticación de Negocios. Igualmente tuvo una mejora de 8 lugares en preparación tecnológica.

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Innovación y sustentabilidad. La sustentabilidad constituye un motor para la innovación. Una de las formas de lograr una mayor competitividad es aumentar la relación entre las investigaciones aplicadas y las de ciencia básica. México produce solo el 0.74 % de los artículos científicos y 0.3 % de las patentes en el mundo. Es de vital importancia revertir este aspecto, para lo cual es necesario fomentar la investigación aplicada mediante una mayor vinculación academia-industria, la modificación de los parámetros de evaluación a los investigadores y la motivación a las industrias a invertir en ciencia y tecnología, entre otros aspectos. Algunos ejes impulsores que de la investigación, innovación y desarrollo en México, que son necesarios lograr, son:

1) constante aumento presupuestal para alcanzar el 1.2 por ciento del PIB en la próxima década 2) diseñar políticas públicas para impulsar las regiones y los estados, 3) fortalecer al Sistema Nacional de Investigadores y la consolidación de redes de trabajo; 4) concretar el Sistema Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación, y 5) fortalecer los mecanismos de vinculación entre el sector productivo y la academia.

Existen varias figuras jurídicas para la protección de la propiedad intelectual. Si nos enfocamos solamente a la propiedad industrial, lo más conocido son las patentes. No obstante existen otras formas de protección, como puede observarse a continuación. Es resaltable que el 90% de la investigación no logra convertirse en innovación, más bien, se vuelve obsoleta o inútil cuando termina, aunque sea patentada. Fuente:

En ocasiones es complicado establecer una barrera entre la investigación básica y la aplicada. No obstante existen formas de obtener estas relaciones, una de las cuales es la relación entre patentes y artículos científicos publicados en revistas que forman parte del “Science Citation Index”, lo cual está implícito en las definiciones referidas en la Norma Mexicana NMX-GT-001-IMNC-2007: Sistema de Gestión de la tecnología: Terminología. En México anualmente se solicitan cerca de 17,000 patentes. Sin embargo, de este gran total, solo cerca de 600 son solicitadas por mexicanos, lo cual significa un porcentaje cercano al 4 %. Algo realmente preocupante es que este

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porcentaje no ha presentado incrementos significativos en los últimos años. En cuanto a artículos científicos, son publicados por mexicanos, ya sea de manera independiente o mediante colaboraciones, un total cercano a los 6,000. Si relacionamos patentes solicitadas por mexicanos y artículos científicos, el resultado arroja que de 10 investigaciones publicadas, solo 1 es patentada. Este fenómeno muestra que México, aunque está produciendo ciencia, no está produciendo la suficiente tecnología, sino que la está importando. [Fuente: Ismeli Alfonso López, José de Jesús Camacho Sabalza. Relación entre la investigación básica y aplicada en México. XVIII International Materials Research Congress. Cancún, 16-20 Agosto 2009. Symposium 14. Estrategias de Vinculación Academia Industria. pp. 54-57]

Fuente: FUENTE: World Intellectual Property Indicators 2010. LA PROPIEDAD INTELECTUAL, SUS REGLAS Y CÓMO INDUCIRLA, Dr. José Rodrigo Roque Díaz, Director General, IMPI, Agosto, 2011

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Existen muchos ejemplos en el área de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales que muestran que México a lo largo de la historia ha realizado importantes aportes a la ciencia y tecnología mundiales. Entre los aspectos importantes en la competitividad están el precio o la tecnología de los materiales y la sustentabilidad del proceso de obtención. En México actualmente es de vital importancia la existencia de una vinculación estrecha entre las instituciones que realizan investigación y la industria. Esta vinculación permitiría aumentar la competitividad de las empresas mexicanas aprovechando el capital humano existente en nuestro país. En el área de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales esta colaboración tiene una relevancia aun mayor debido al alto costo de la tecnología, la carencia de infraestructura para investigación en empresas y la alta inversión en equipos e infraestructura necesaria, lo cual provoca que la mayor parte de las empresas no puedan realizar investigación y desarrollo sobre materiales avanzados, y más tomando en cuenta que en México el 96 % de las empresas son Micro, Pequeñas y Medianas Empresas [Secretaría de Economía (SPYME)]. Una empresa puede aumentar su competitividad y sustentabilidad fundamentalmente disminuyendo costos, realizando innovación o aumentando su nivel de apertura mediante una colaboración multidisciplinaria.

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Fuente: Deloitte Mexico Johanne Gélinas, Javier Romero Rio, 6 de mayo de 2011

2. Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales.

Hasta hace aproximadamente 50 años, los únicos materiales utilizados en aplicaciones de ingeniería o estructurales eran los metales, sin embargo, la creciente demanda de propiedades cada vez más específicas, como resistencia química en ambientes altamente agresivos, la resistencia a alta temperatura, la resistencia al desgaste y el bajo peso, motivó la aplicación y el desarrollo de nuevos materiales con mejores prestaciones mecánicas. Por todo esto, constantemente se buscan alternativas para mejorar a los materiales tradicionales o reemplazarlos con nuevas materias primas y superar de la mejor forma posible sus desventajas. Entre estos materiales se tienen las aleaciones superplásticas, los nuevos aceros refractarios e inoxidables, las aleaciones con memoria de forma, las aleaciones para pulvimetalurgia, las aleaciones magnéticas y con propiedades eléctricas especiales, los nanoestructurados metálicos, con propiedades magnéticas muy particulares, las aleaciones ligeras con buena relación resistencia/peso, etc. Para dar una idea de las tendencias en desarrollo e investigación en materiales metálicos, se presentan los campos señalados por el Programa de Materiales Metálicos Euram de la Comunidad Económica Europea (CEE):

- Mejoramiento de las aleaciones de aluminio clásicas y desarrollo de otras nuevas para uso en la industria del transporte

- Desarrollo de nuevas aleaciones de aluminio, magnesio y titanio - Desarrollo de aleaciones livianas superplásticas. - Desarrollo de aleaciones de aluminio y de magnesio utilizando técnicas de

solidificación rápida en atmósfera inerte y técnicas de vaciado, como la

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llamada "rheocasting". - Desarrollo de nuevas aleaciones de magnesio con resistencias mejoradas, tanto

mecánicas como químicas. Estas líneas de investigación y otras que favorezcan la recuperación y sustitución de los metales son imprescindibles para poder continuar con el nivel de desarrollo y de vida que se tienen actualmente, porque hay una pregunta que hoy en día está sin respuesta:

¿Cómo podrá sostenerse el actual uso de los metales?

Es conocido que cada vez quedan menos recursos minerales, originado por su explotación indiscriminada y la falta de estrategias para su reciclaje. Es necesario establecer estrategias que se dirijan a una mayor sustentabilidad de los materiales. Algunos puntos importantes, destinados a lograr la sustentabilidad mediante una combinación eficiente materiales-diseño, son:

• Óptima selección de los materiales de acuerdo al uso requerido.

• Mejor diseño de equipos, estructuras, partes, dispositivos, etc.

• En el área metalmecánica y la industria del transporte la relación resistencia-peso es fundamental: mayor ahorro de combustible, menos contaminación, menos material utilizado.

Es necesario destacar un dato importante: Una reducción del peso de 100 kg ahorra aproximadamente 6 litros por cada 1000 km. En la misma proporción se reducen las emisiones a la atmósfera. Enfocándonos a metales estructurales, es de resaltar que aunque algunos de ellos, como el Al, el Fe y el Mg son los metales estructurales más abundantes en la corteza terrestre (Al 8 %, Fe 5 %, Mg 2 %), es necesario redirigir las investigaciones hacia su sustentabilidad, pues si el ritmo de crecimiento actual de su explotación se mantiene o incrementa cada vez sería más difícil obtenerlos. Estas investigaciones podrían enfocarse en:

A. Hierro: El Material más importante de la Metalmecánica. Aceros de alta resistencia, aceros ultraligeros, de doble fase, de fase compleja, TRIP, etc. Sobre este tema se han desarrollado aceros con mejores propiedades mecánicas (resistencia, menores espesores y cantidad de material). Se ha logrado ahorro de energía consumida por tonelada producida, menor peso de las estructuras y dispositivos, menos gasto de material, menos costo del material. Los nuevos aceros son la solución más efectiva para mejorar la seguridad, el consumo de combustible, los gastos de mantenimiento y el rendimiento de los vehículos. algunas aplicaciones son en contenedores de carga, protección balística, equipos de elevación, equipos agrícolas, tubos y perfiles abiertos, asientos para medios de transporte, remolques, ferrocarriles, vehículos de pasajeros. Los aceros avanzados de alta resistencia ofrecen oportunidades técnicas ilimitadas en la fabricación de productos más resistentes, livianos y avanzados. Pero su verdadera fortaleza radica en las ventajas económicas que ofrecen. Benefician tanto al fabricante como al usuario final del producto, incrementando la

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competitividad y rentabilidad para ambos. Mediante la utilización de aceros de extra y ultra alta resistencia se puede ahorrar peso, incrementar la carga útil y reducir los costes de fabricación.

Los aceros modernos de elevada resistencia, surgen por el proceso de evolución al que se ha visto sometido la industria del acero en cuanto a la necesidad de abaratar las materias primas que se utilizan en gran parte de los procesos de fabricación. Hasta principios del siglo XX, las necesidades de conseguir aceros de mayor resistencia sin variar su composición, y en concreto su contenido en carbono, se solventaban utilizando diseños de aceros con mejores espesores y cantidad de material. Estos cambios repercuten de cara a los aceristas en cuanto al ahorro de energía consumida (en kilovatios por tonelada producida), y de cara al usuario también se supone un ahorro en el peso de las estructuras construidas. Por una parte, en la actualidad existe un mayor abanico de materiales alternativos a los que el acero debe superar para evitar su reemplazo y por otra parte, los nuevos requisitos en cuanto a prestaciones, seguridad y consumos han llevado al desarrollo de los nuevos aceros. Se puede considerar un caso concreto, el del sector del automóvil; uno de los mayores consumidores de acero, con la introducción de los resultados de los Conceptos Avanzados en Aceros Ultraligeros para las Carrocerías de Vehículos, de tal forma que hoy la industria cuenta con los materiales de alta tecnología que requiere. Estos materiales proporcionan una combinación de características como son la resistencia, facilidad en el formado, facilidad en los procesos de soldado, de durabilidad, dureza. Fuente: Aceros de alta resistencia. Estudio del empleo de Nuevos materiales Aplicaciones tradicionales De los fabricados para las Metálicos. Este estudio se enmarca dentro del II plan de competitividad de la empresa Valenciana del sector metal, promovido por el IMPIVA y con la Programa operativo FEDER (FONDO EUROPEO DE DESARROLLO REGIONAl). Mayo 2009.

B. Aluminio y Magnesio: Aleaciones con propiedades mecánicas superiores, nuevas aplicaciones, nuevos procesos de manufactura, materiales compuestos.

El aluminio es conocido como el metal verde, su densidad es solo un tercio de la densidad del cero, existen aleaciones de aluminio con propiedades mecánicas muy elevadas, para aplicaciones en mecánica estructural en general, envases, partes automotrices, industria aeronáutica, aeroespacial, eléctrica, deportiva, electrodomésticos, etc. Tiene notable resistencia y características de bajo mantenimiento lo convierten en el material ideal: resistente, ligero, duradero y ecológico. Por ejemplo, el uso de carpintería metálica: Menos uso de madera, más árboles. Igualmente hay nuevas aplicaciones como espumas metálicas, para absorción de gases. Además, el aluminio tiene elevada resistencia a la corrosión, es excelente conductor de electricidad y calor, magnífico reflector de luz, no es magnético, ni tóxico, pero sí muy maleable, fácil de ensamblar y con un atractivo aspecto natural. No podemos volar, ni viajar en un tren de alta velocidad, o en un coche de altas prestaciones o en un ferry, sin el aluminio. El aluminio nos permite obtener calor o luz en nuestras casas y lugares de trabajo, preservar comida,

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medicinas y otras sustancias alterables por las condiciones del ambiente, y es imprescindible en componentes electrónicos de nuestras computadoras. Un tren de aluminio aporta un ahorro de energía del 87% a lo largo de los 40 años de vida media, en comparación con los trenes fabricados con metales más pesados. Cuando se utiliza en vehículos de carretera, la ligereza de los componentes de aluminio mejora la eficiencia del carburante, ya que reduce el peso del vehículo en más del 50% en comparación con los coches tradicionales. Fuente: Aluminio. Clara Acebes, Directora de Comunicación de Alcoa en España. boletin 19/5/99, 14-18.

El magnesio es el material más Ligero de la Metalmecánica. Su densidad es un 30 por ciento inferior a la del aluminio, se han desarrollado nuevos procesos de manufactura y aleaciones de magnesio que proveen características superiores de resistencia, dureza, densidad y óptimo rendimiento ante la corrosión. Tiene aplicaciones en computadoras, celulares, componentes para helicópteros, herramientas eléctricas, equipamiento aeroespacial, artículos deportivos, componentes de automóviles como rines, cajas de cambios, cubiertas de válvulas, ruedas, soportes para el pedal de freno, marco interno de la puerta, volantes, faros y marcos de los retrovisores externos. También existen nuevas aplicaciones en espumas metálicas.

En industrias como la automotriz, ferroviaria y aeroespacial, se evalúa constantemente el desempeño de sus productos con el propósito de mejorar sus características y propiedades, en este sentido, se han desarrollado aleaciones de magnesio (Mg), que gracias a sus fusiones con zinc y el mismo aluminio, proveen características superiores de resistencia, dureza, densidad y óptimo rendimiento ante la corrosión, lo que, a largo de las últimas dos décadas, ha impulsado su uso en productos de uso cotidiano como automóviles, celulares y componentes para helicópteros. La reducción de peso que provee el Mg incide directamente en el bajo consumo de combustible, contribuyendo paralelamente, en el mejoramiento del medio ambiente, debido a la menor emisión de gases. Fuente: Jose Luis Ordóñez Jiménez, WWW.METALACTUAL.COM, http://www.metalactual.com/revista/25/materiales_magnesio.pdf

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Reciclado: alta contribución al cuidado del medio ambiente. Tanto el acero como las aleaciones de aluminio y magnesio pueden reciclarse. Es deseable un alto reciclado para no aumentar la cantidad de residuos sólidos, reducir la utilización de recursos naturales, y ahorrar la energía que se emplearía en llevar a cabo todo el proceso de producción. En el reciclado de estos materiales hay algunos puntos claves:

• 60 % del acero producido en Norteamérica es elaborado con hierro reciclado.

• Al producir aluminio a partir de chatarra existe un ahorro del 95% de la energía si se compara con la producción a partir del mineral primario.

• Más del 75% de todo el aluminio producido todavía está en uso hoy en día. • El magnesio tiene buen potencial de reciclado, aumentando en los últimos años

Debido al considerable ahorro producido durante el reciclado y a la sencillez del proceso, el aluminio se empezó a reciclar muy pronto donde hoy en día es una actividad normal, técnicamente resuelta y rentable. El proceso de reciclado del aluminio aporta, además, importantes beneficios medioambientales, económicos y sociales. El aluminio es un residuo de fácil manejo: ligero, no se rompe, no arde y no se oxida.

3. Optimización en el diseño.

La Ingeniería Asistida por Computadora (Computer Aided Engineering-CAE) y el Dibujo Asistido por Computadora (Computer Aided Design-CAD), son actualmente indispensables con el objetivo de reducir los tiempos de proyecto o de puesta de productos en el mercado. Asimismo es de gran importancia el estudio de los materiales, así como de los sistemas o estructuras en los cuales operan estos materiales. En muchas ocasiones, incluso antes de fabricar un material o un prototipo, es deseable contar con información que permita tomar decisiones sobre el proceso final de fabricación. Por tal motivo, se ha incrementado de manera notable el uso de la modelación y la simulación en el estudio de los materiales. Con el desarrollo de la computación se empezaron a usar simuladores, que emplean algoritmos pero que además incluyen la simulación de las condiciones reales a las que está sometido un material o sistema. Algunas de las aplicaciones se inscriben en el estudio de estructuras, materiales compuestos, materiales porosos, nanotubos de carbono, la aerodinámica y la resistencia al impacto de vehículos, el diseño de procesos de conformado de piezas metálicas (forja, estampado, extrusión, laminación), el estudio de la corrosión, entre otros. El objetivo es también reducir al máximo el número de pruebas con prototipos reales para acortar los plazos de diseño o de puesta en el mercado.

68

Entre los métodos empleados para la modelación y diseño de materiales y estructuras está el Método de los Elementos Finitos (MEF), o Análisis por Elementos Finitos (AEF), constituye hoy en día un procedimiento habitual de modelación y simulación, tanto en mecánica estructural como en mecánica de sólidos en general. Su uso se ha extendido también a la resolución de problemas de transferencia de calor, mecánica de fluidos y electromagnetismo, y es de vital importancia para al estudio de nuevos materiales. El nacimiento y desarrollo del MEF es una consecuencia de la disponibilidad de herramientas electrónicas de cálculo cada vez más potentes, un resultado más de la revolución informática de finales del siglo XX. En el MEF se dividen las estructuras en zonas o elementos conectados mediante nodos, pero a diferencia del cálculo matricial, dentro de ellos solo se conoce la solución de manera aproximada en función de los movimientos nodales. Estos movimientos definen la solución dentro de cada uno de los elementos en que se divide la estructura y, por ende, la solución en toda ella.

En la actualidad existen diferentes programas de análisis por elementos finitos, entre los cuales están ABAQUS, ANSYS, COSMOS, PATRAN, NASTRAN, ALGOR, STRUDL y CAEPIPE. Entre ellos, uno de los más utilizados es el ANSYS, líder mundial en programas de cálculo, diseño y optimización de estructuras por computadora. Este tipo de programas ha facilitado enormemente el uso del MEF, estando a la disposición de un amplio público, y siendo cada día más utilizado para la estimación de propiedades de materiales.

Algunos puntos importantes respecto al diseño para la sustentabilidad son:

• Uso de modelación y simulación para el mejor funcionamiento de materiales

• Optimización en el diseño para la manufactura de materiales: aleaciones, materiales compuestos, nanotubos, espumas metálicas.

• Optimización en el diseño de estructuras y dispositivos.

• Modelación y simulación para el mejor aprovechamiento de energías alternas.

• Mejor determinación del factor de seguridad y diseño.

• Evita el uso excesivo de materiales por sobrediseño

• Minimiza la falla de estructuras y dispositivos por diseño inadecuado

4. Hechos a destacar.

Es de destacar el comportamiento que ha experimentado la investigación relacionada con los temas aquí tratados. Una revisión preliminar en Sciencedirect no encontró trabajos de autores mexicanos sobre el Mg para aplicaciones estructurales en el período 2012-2013, de un total de 314 artículos encontrados. Sobre el Al se encontraron 5 trabajos de autores

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mexicanos en el mismo período (total 384 artículos)

En cuanto a patentes relacionadas con Mg, en el IMPI en el período 2011- 2012 se solicitaron solo dos por parte de residentes mexicanos. En el caso del Al, se solicitaron 5. Sobre aceros especiales estructurales no se encontró ninguna patente.

En el período 2011-2013 se solicitaron 8 patentes por nacionales mexicanos (de un total de 250) sobre temas relacionados con diseño de dispositivos energéticos y los materiales usados en ellos, mientras que sobre energía solar fueron 11 y sobre energía eólica 4.

En cuanto a Apoyos otorgados por CONACYT a proyectos que involucren los materiales y el diseño aquí propuestos, se encontraron algunos casos, pero no suficientes para que estos temas sean impulsados más. Algunos de los proyectos encontrados son:

- Fondo Sectorial CONACYT-SENER-SUSTENTABILIDAD ENERGÉTICA 2009: Prototipo de Aerogenerador.

- Fondo Sectorial CONACYT-SENER-SUSTENTABILIDAD ENERGÉTICA 2010-01: Espumas de Mg y Al-Mg como materiales captores de CO2 como alternativa para la reducción de la contaminación ambiental.

- Programa CONACyT de Estimulo al Desarrollo e Investigación en Modalidad INNOVATEC 2012: Diseño de una Carrocería Autoportante Tipo Entrada Baja.

- Fondo Mixto CONACyT-Gobierno del Estado de Guanajuato 2012: Modelación de una línea de manufactura de puertas, marcos y ventanas de acero usando simulación.

- Fondo Mixto CONACyT-Gobierno del Estado de Coahuila 2012: 1- Recuperación de aluminio secundario durante la fusión de chatarras compuestas en horno de doble cámaras. 2- Desarrollo y optimización del tratamiento térmico de aleaciones base aluminio usadas en la fabricación de piezas automotrices vaciadas.

- Fondo Mixto CONACyT-Gobierno del Estado de Nuevo León 2012: 1- Diseño, construcción y experimentación de una celda flexible de moldeo de cabezas de cilindro de aluminio. 2- Innovación tecnológica con la incorporación de los procesos de desarenado y tratamiento térmico de las cabezas de aluminio en la misma línea de moldeo.

Las Sugerencias que se pueden hacer después de realizado este análisis son:

• El estudio de nuevos aceros, Al y el Mg debe aumentar en México, fundamentalmente debido a su importancia estratégica como materiales con una gran cantidad de aplicaciones, que favorecen el ahorro de combustible, altamente reciclables, ecológicos, sustentables y abundantes.

70

• Debe aumentarse el número de patentes en general. Es necesario un mayor incentivo en este aspecto.

Por ejemplo, la investigación y el desarrollo de las aleaciones de magnesio se debe centrar en:

· Desarrollo de aleaciones

· Solidificación rápida

· Tecnología de producción

· Compuestos

· Corrosión y su prevención

· Reciclado

• Debe aumentar el número de proyectos que realicen estudios sobre estos temas y que utilicen CAD/CAM, que apoyen a la industria y produzcan prototipos más eficientes para el aprovechamiento de energías alternativas, como la eólica, maremotriz, o la hidráulica. Asimismo hay que brindar especial atención al diseño de materiales y dispositivos.

• Los proyectos que así lo requieran deben incluir una parte anterior a la experimental o de creación de prototipos, en la cual se utilicen las herramientas computacionales para el diseño y la simulación de las condiciones de trabajo

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Análisis sobre las corrientes de investigación-desarrollo en el área de materiales magnéticos para aplicaciones. Oportunidades. J.L. Sánchez Llamazares División de Materiales Avanzados, Instituto Potosino de Investigación científica y Tecnológica A.C. (IPICyT), San Luis Potosí, SLP.

1. Materiales magnéticos masivos: situación mundial y corrientes de investigación y desarrollo. Los materiales magnéticos son esenciales para el desarrollo tecnológico de la sociedad

moderna. Estos se utilizan en un sinnúmero de áreas de la tecnología y vida

contemporáneas tales como la generación y transmisión de energía eléctrica (tanto de

fuentes renovables como no renovables), transporte e industria automovilística, informática,

telecomunicaciones, electrónica de consumo doméstico, automatización industrial y robótica,

medicina, e industria militar y espacial [1,2].

Desde el punto de vista de su comercialización, utilización masiva y actividad de

investigación-desarrollo los tres grupos de materiales más importantes son los siguientes

[1,2]:

(a) imanes permanentes (IP);

(b) materiales magnéticamente blandos para núcleos inductivos;

(c) medios magnéticos para el registro de información.

Sin embargo, recientemente se ha enfatizado el impacto y la importancia que por su impacto

energético y ecológico durante el siglo XXI van a tener los imanes permanentes, los

materiales magnéticamente blandos para núcleos inductivos y los materiales con elevado

efecto magneto-calórico [3]. Estos últimos constituyen la base de una nueva tecnología de

refrigeración a estado sólido: la refrigeración magnética [4,5]. El mejoramiento de los

materiales existentes, así como el descubrimiento de nuevos materiales [relacionados con

(a) y (b)] y el desarrollo de la refrigeración magnética, contribuirá tanto al ahorro de energía

eléctrica como a reducir las emisiones de CO2 al medio ambiente.

En este trabajo, centraremos nuestro análisis en estos tres tipos de materiales y no en los

materiales magnéticos que se utilizan con medios magnéticos para el registro de información

(que serán objeto de la ponencia del Dr. Armando Encinas), por considerar que pueden ser

las áreas de mayor oportunidad para el desarrollo de la ciencia, la tecnología y la innovación

en México.

1.1 Imanes permanentes.

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Los imanes permanentes son componentes claves de numerosos dispositivos que

se utilizan en todos los sectores antes mencionados. Estos permiten generar campo

magnético en cierta región del espacio sin gasto energético alguno. En base a los

mismos se desarrollan dispositivos de uso tan amplio como motores, generadores,

dispositivos acústicos, actuadores, cojinetes, dispositivos de agarre, entre muchos

otros, tanto de tamaño y porte normal como miniaturizados [1-3,6]. El crecimiento

mundial anual en la producción de estos materiales es superior al 12 % [3]. La figura

1(a) y (b) muestra como se distribuyeron las ventas en 2010 de los tipos imanes

permanentes que se comercializan, a saber, imanes basados en ferritas

hexagonales, compuestos intermetálicos de Sm-Co y Nd-Fe-B y aleaciones tipo

AlNiCo, y su crecimiento hasta el año 2020, respectivamente.

El área que domina la demanda de imanes permanentes es la relacionada con

aplicaciones energéticas. Por ejemplo, la obtención de energía renovable a partir de

molinos de viento, cuyo núcleo esencial es un generador de potencia basado en

superimanes de Nd-Fe-B, se duplica cada 3 años [3]. Otro ejemplo son los motores

para automóviles híbridos cuya producción está creciendo aceleradamente.

(a) (b)

73

Fig. 1. Distribución de las ventas en el año 2010 (a) y tasa de crecimiento de las ventas hasta el año 2020 (b) de los diferentes tipos imanes permanentes que se comercializan (aleaciones tipo AlNiCo, ferritas hexagonales, y compuestos intermetálicos badados en Sm-Co y Nd-Fe-B). Tomado de [3] y [7], respectivamente. En los últimos 20 años se han desarrollando ingentes esfuerzos en el desarrollo de

nuevos imanes permanentes basados en elementos de tierra rara y el mejoramiento

de los existentes. Estos se han dirigido en tres direcciones [9]: (a) mejoramiento de

las propiedades de los super-imanes permanentes de Nd-Fe-B mediante el

perfeccionamiento de la microestructura (con énfasis en las fronteras de granos), y el

uso de tierra raras pesadas como Dy y Tb. Esto ha permitido aumentar la cifra de

mérito de imanes (el (BH)max) hasta casi su valor límite; (b) búsqueda de nuevas

fases intermetálicas. En este sentido no se ha descubierto una fase binaria o ternaria

con mejores propiedades que el compuesto Nd2Fe14B, y; (c) desarrollo de

nanocompósitos basados en una fase intermetálica con alta anisotropía magneto-

cristalina (como SmCo5 o Nd2Fe14B) y un metal de transición con elevada

magnetización de saturación (como Fe, Co, o Fe-Co), acoplados ambos a través de

la interacción magnética de intercambio. A pesar de que se han producido varios

nanocompósitos de este tipo, según se muestra en la tabla 1, no se ha encontrado la

forma de producir imanes masivos anisotrópicos por lo cual el costo de producción

no es aún competitivo en relación a los IP de Nd-Fe-B [9].

74

Tabla. 1. Nanocompósitos que se han desarrollados como imanes basados en una fase magnéticamente dura (SmCo5, Nd2Fe14B, o FePt) y una magnéticamente blanda (como Fe, Co, o Fe-Co) acoplados a través de la interacción magnética de intercambio. En la tabla se indica el método de obtención empleado así como el producto de energía magnética máxima (BH)max obtenido en cada caso. Tomado de la referencia [9].

Sin embargo, ocurre que las mayores reservas mundiales de elementos de las

tierras raras se encuentran en la República Popular China (RPC) [3,7,9,10], que es

el principal suministrador mundial de estos elementos (un 95 %). Debido al

desarrollo acelerado que ha tenido este país en los últimos años ha pasado a ser de

exportador a consumidor de tierras raras con lo cual se ha reducido la cuota que

vende en el mercado mundial con el consecuente aumento de los precios; este

fenómeno se ha denominado ‘la crisis de las tierras raras’ [11]. Por otro lado, en

estos momentos la RPC se ha convertido en el mayor productor mundial de IP [3,9]

ya que, aparte de la producción con tecnología propia, la mayor parte de los

fabricantes occidentales se han instalado en ese país.

La creciente preocupación que el aumento del coste de las tierras raras ha producido

en los productores de IP del mundo occidental [12-14], ha generado un creciente

interés en los Estados Unidos (E.U.A.) y la Unión Europea (UE) para desarrollar

75

imanes permanentes de alta energía magnética que no contengan elementos de

tierra rara [12-14], esto es, que en su lugar estén basados en elementos del grupo

de transición y otros elementos, para abaratar los costes de su producción y eliminar

también la dependencia de la RPC. En tal sentido, la agencia ARPA-E (Advanced

Research Projects Agency-Energy), del Departamento de Energía (DOE) de los

E.U.A., financia en estos momentos 37 proyectos de investigación para desarrollar

imanes permanentes de alta energía magnética que no contengan tierras raras o

que reduzcan el contenido de estos elementos [12-15]. Todo lo anterior ha condicionado que las dos líneas fundamentales de investigación-

desarrollo que se han propuesto como direcciones de trabajo para los próximos años en el

área de IP sean las siguientes [3, 7-9]:

(a) Imanes permanentes libres de elementos de las tierras raras. El objetivo es obtener

IP que tengan propiedades superiores a las ferritas e inferiores al Nd-Fe-B [8, 9]. Se propone

investigar la anisotropía magnetocristalina de aleaciones con estructura tetragonal L1o

basadas en Mn (Mn-Al, Mn-Bi, y Mn-Ga), en Fe (Fe-N, Fe-C, y Fe-Ni), y en Co (Co-C).

(b) Imanes permanentes nanocompósitos basados en una fase magnéticamente dura

y otra blanda. Aquí el objetivo es desarrollar métodos que permitan inducir textura

cristalográfica en las partículas del nanocompósito [7-9]. En tal sentido se viene investigando

desde los últimos 20 años.

(c) Imanes permanentes en forma de películas delgadas con anisotropía

perpendicular. Aquí se prevé su utilización en dispositivos MEMS (Micro-electro

mechanical systems), dispositivos espintrónicos y registro perpendicular magnético de

información [9].

1.2 Materiales magnéticamente blandos para núcleos inductivos. Los materiales magnéticamente blandos son principalmente utilizados en la conducción del

flujo de campo magnético. Estos deben caracterizarse por una alta magnetización de

saturación, bajo campo coercitivo y pocas pérdidas energéticas (en campos alternos).

Sus dos aplicaciones básicas son: (a) como núcleos para transformadores desde baja hasta

alta potencia, y; (b) en circuitos magnéticos [1,2]. Desde el punto de vista energético su

utilización más importante es en los núcleos para transformadores en las redes de

distribución eléctrica (que trabajan a una frecuencia de 50-60 Hz) y en los circuitos

magnéticos de motores y generadores.

76

Dentro de los materiales que es utilizan en este campo tenemos aleaciones metálicas

cristalinas, nanocristalinas, amorfas y ferritas magnéticamente blandas de Ni-Zn y Mn-Zn

[ver figura 2(a)]. Según muestra la figura 3, alrededor del 80 % del mercado, tanto en ventas

como en volumen de producción, corresponde al Fe-Si (usualmente denominado como

‘acero eléctrico’) no orientado y orientado.

(a) (b)

Fig. 2. (a) Materiales magnéticamente blandos de mayor interés aplicado (Js: polarización de saturación; HC: campo coercitivo). (b) pérdidas en materiales magnéticamente blandos. Tomado de [16].

Actualmente la investigación en este campo se centra en materiales amorfos y

nanocristalinos basados en Fe ya que poseen menores pérdidas energéticas [ver figura 2(b)]

[16]. Estas son las dos líneas fundamentales de investigación-desarrollo que desarrollan

actualmente, y que se consideran como direcciones de trabajo para los próximos años.

77

(a) (b)

Fig. 3. Distribución de la producción en toneladas (a) y las ventas en el año 2009 (b) de los diferentes tipos de materiales magnéticamente blandos. Tomado de [16].

1.3 Materiales magneto-calóricos para la refrigeración magnética.

El efecto magnetocalórico (EMC) es una propiedad intrínseca de todos los materiales que

poseen átomos con momento magnético propio y es el fenómeno físico sobre la base del

cual se está desarrollando una nueva tecnología de refrigeración a estado sólido: la

refrigeración magnética [17]. El mismo consiste en el calentamiento, o enfriamiento, que

sufre un material cuando se le magnetiza, o desmagnetiza en condiciones adiabáticas, y se

caracteriza por la variación de temperatura adiabática ΔTad o la variación de entropía

magnética ΔSM; ambas magnitudes poseen un máximo a la temperatura de transición

magnética o magneto-estructural del material.

Las investigaciones en este campo a nivel mundial fueron estimuladas por dos resultados

que se reportaron en 1997:

(a) el diseño, construcción y operación continuada y con éxito de un refrigerador magnético

que utilizaba, como refrigerante magnético, Gd metálico pero con eficiencia energética del

60 % [18].

(b) el descubrimiento del efecto magnetocalórico gigante en el compuesto intermetálico

Gd5Si2Ge2 [19, 20]. El mismo deriva de la transición estructural de primer orden entre dos

fases ferromagnéticas con diferentes propiedades intrínsecas y del acoplamiento entre la

estructura cristalina y magnética. Esto abrió la posibilidad de obtener nuevos materiales

magnetocalóricos más eficientes y de menor coste que el Gd metálico.

Ambos trabajos abrieron una perspectiva real de poder substituir, parcial o totalmente, la

refrigeración doméstica e industrial, que está basada en la compresión-expansión de gases

que cuando terminan su vida útil pasan al ambiente contaminándolo ya que atacan la capa

78

de ozono, por una tecnología limpia y mucho más eficiente desde el punto de vista

energético. Las ventajas principales de la refrigeración magnética con respecto a la

convencional son las siguientes: (a) no contamina el medio ambiente; (b) muestra una

eficiencia termodinámica neta entre un 20-30 % superior; (c) las máquinas de refrigeración

son silenciosas (pues no se utilizan compresores), de construcción más simple, y con un

menor costo de mantenimiento. La figura 4, muestra el nivel de actividad científica en este

campo desde 1997 [21].

Fig. 4. Publicaciones sobre efecto magneto-calórico entre los años 1920 y 2010. El incremento se produce a partir de 1997 en que se descubre el efecto magneto-calórico gigante y se reporta el primer refrigerador magnético eficiente a temperatura ambiente. Tomado de [21]. Con posterioridad a los trabajos de Pecharsky y Gschneidner se descubrieron varias familias

de materiales con efecto efecto magnetocalórico gigante [4,5,21,22]. Entre las más

importantes tenemos: La(Fe,Si)13, La(Fe,Si)13Hx, Mn(As,Sb), MnFe(P,As)], (MnFe)2(PGe), Ni-

Mn-Ga, Ni-Mn-Sn y MnCoGe. El denominador común de todas ellas es la existencia de una

transformación magneto-estructural o magneto-elástica de fase en que, por efecto del

campo magnético, se transita de una fase a otra y existe un acoplamiento fuerte entre la

estructura y la estructura magnética del material. La modificación de la estructura magnética

y las interacciones de intercambio lleva a un cambio brusco en la magnetización.

Paralelamente, el diseño de maquinas térmicas ha sufrido un desarrollado considerable [21].

La tabla 2 recoge algunos materiales que se consideran promisorios como refrigerantes

magnéticos [3]. En la misma aparece el rango de temperatura en que opera el material, los

valores de ΔSM y ΔTad para una variación de campo magnético de 2 Tesla (T), la temperatura

de transición TC, el costo actual por kilogramo (en euros), y la densidad. El Gd aparece en la

79

tabla porque se considera el material magneto-calórico de referencia.

Tabla. 2. Materiales que se consideran promisorios como refrigerantes magnéticos En la tabla aparece el rango de temperatura en que opera el material, los valores de ΔSM y ΔTad para una variación de campo magnético de 2 T, la temperatura de transición, el costo actual por kilogramo (en euros) y la densidad. El Gd aparece como referencia. Tomado de [3].

El énfasis de las investigaciones en este campo recae actualmente en el desarrollo

de la refrigeración a temperatura ambiente, aunque en rigor se busca y estudian

materiales para la refrigeración magnética en todos los rangos de temperatura. La

figura 5 recoge los valores de ΔTad para una variación de campo magnético de 2 T

para varias familias de materiales magneto-calóricos con transiciones con

transiciones de segundo orden (áreas rayadas) y primer orden (áreas de color

homogéneo) en el rango de la temperatura ambiente que se han investigado

intensamente. Nótese que varios materiales, y familias de materiales, están basadas

en Mn.

Es importante decir que para que un material pueda ser utilizado como sustancia de trabajo

para la refrigeración magnética no basta con que presente elevada variación de temperatura

adiabática o entropía magnética. Además de esto debe satisfacer también las siguientes

condiciones: (a) que su elevado efecto magnetocalórico lo alcance para valores de campo

magnético inferiores a 2 Teslas (que es el campo que puede generarse con circuitos

magnéticos en base a superimanes de Nd-Fe-B); (b) que no posea o que tenga reducidas

pérdidas por histéresis. Mientras que los materiales con transiciones magnéticas de segundo

orden presentan curvas reversibles de magnetización y, por lo tanto, no tienen muestran

pérdidas por histéresis, en los que presentan transiciones de primer orden inducidas por

80

campo las pérdidas por histéresis pueden ser pueden ser apreciables reduciendo la

capacidad de refrigeración (RC); (c) que la curva de entropía magnética en función de la

temperatura sea ancha para que el material pueda exhibir una capacidad de refrigeración

RC en el rango de temperatura en que el ciclo de refrigerador va a operar, y; (d) que

presente una capacidad calorífica pequeña para facilitar el intercambio térmico, y; (e) que las

materias primas, así como el proceso de obtención sean baratos.

Fig. 5. Variación de temperatura adiabática ΔTad

para una variación de campo magnético de 2 T para

varias familias de materiales magneto-calóricos con transiciones con transiciones de segundo orden (rayas) y primer orden (color homogéneo) en el rango de la temperatura ambiente.

En esta área las dos líneas fundamentales de investigación-desarrollo que desarrollan

actualmente, y que se consideran como direcciones de trabajo para los próximos años, son

las siguientes:

(a) Búsqueda y estudio de nuevos materiales con EMC gigante en diferentes rangos

de temperatura con énfasis en la temperatura ambiente (de preferencia sin elementos

de las tierras raras). El objetivo es obtener valores elevados de la variación de temperatura

adiabática en torno a temperatura ambiente para una variación de campo de 2 T. Hay un

énfasis importante en aleaciones basadas en Mn dado el elevado momento magnético e

este elemento.

(b) desarrollo de compósitos basados en dos fases con capacidad de refrigeración

optimizada en diferentes rangos de temperatura. Aquí el objetivo es desarrollar

materiales que tengan un EMC constante en un rango amplio de temperatura lo cual permite

81

optimizar el ciclo de refrigeración.

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[19] V.K. Pecharsky, K. A. Gschneidner, Phys. Rev. Lett., 78 (1997) 4494.

[20] V.K. Pecharsky, K.A. Geschneidner Jr., Appl. Phys. Lett., 70 (1997)3299.

[21] K. A. Gschneidner, V.K. Pecharsky, Int. J. Refrig. 31 (2008) 945.

[22] V. Franco, J.S.Blazquez,B.Ingale,A.Conde,Annu.Rev.Mater.Res.42(2012)305.

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2. Áreas de oportunidad para el desarrollo de la ciencia, la tecnología y la innovación en nuestro país. 3. Señalar las actividades de investigación en ciencia básica, ciencia aplicada, desarrollo tecnológico e innovación que sería pertinente realizar a nivel nacional, estatal y regional para aprovechar las áreas de oportunidad. 4. Sugerir estrategias para la formación acelerada de recursos humanos en estas áreas de oportunidad. SITUACIÓN DE MÉXICO – ASPECTOS FAVORABLES. Varias instituciones en México, tanto Universidades como centros de Conacyt, poseen las instalaciones experimentales necesarias para acometer la síntesis y caracterización de materiales magnéticos metálicos y cerámicos. De igual manera, posee, una base mínima de recursos humanos en esta área para realizar investigaciones de nivel internacional en esta área. Ambos pueden ser el punto de partida para, si se apoyan proyectos concretos en esta área desarrollar investigaciones científicas, tecnológicas de impacto en esta área así como formar los recursos humanos necesarios que lleven a que haya una masa crítica de investigadores en el país en este campo. Sin embargo, hay aspectos que actualmente conspiran contra esto. A saber: SITUACIÓN DE MÉXICO – ASPECTOS DESFAVORABLES. (a) los investigadores están dispersos en distintas instituciones; su interacción, como comunidad, es pobre o nula. (b) No hay masa crítica de investigadores en el área de materiales (c) No existen centros temáticos sobre materiales. (d) los temas y proyectos de investigación que se desarrollan no responden a directivas o líneas de desarrollo priorizadas o definidas por el país (son más bien a iniciativa personal). (e) las instalaciones disponibles no se usan abiertamente por los investigadores que trabajan en esta área. Además, muchas instalaciones son de carácter general. (f) no hay un programa de posgrado especializado en materiales magnéticos. (g) Poca interacción con los centros mundiales de mayor desarrollo. De las diferentes líneas de investigación todas las antes citadas son, en principio, áreas de oportunidad en México.

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PARTICIPANTES

Dr. Luis Edmundo Fuentes Cobas. CIMAV

Dr. Vladimir Alonso Escobar Barrios. IPICYT

Dr. Pedro Bosch Giral. Instituto de Investigaciones en Materiales – UNAM

Dr. Ramiro Pérez Campos. CFATA-UNAM Dr. Jesús Gracia Fadrique. Facultad de Química – UNAM

Dra. Monserrat Bizarro Sordo. Instituto de Investigaciones en Materiales – UNAM

Dr. Ismeli Alfonso López. Universidad Autónoma del Carmen Dr. Roberto Escudero Derat. Instituto de Investigaciones en Materiales, UNAM. Dr. Armando Encinas Oropeza. Instituto de Física, UASLP. Dr. José Luis Sánchez Llamazares . División de Materiales Avanzados, IPICYT. Dr. Armando Salinas Rodríguez. Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, CINVESTAV, Unidad Saltillo. Dr. Stephen Mulh Saunders. Instituto de Investigaciones en Materiales, UNAM. Dr. Juan Castro Cal. Consejo Superior de Investigaciones Científicas. Instituto de Ciencias de Patrimonio (CSIC – INCIPIT) Dra. Sandra Rodil Posada. Instituto de Investigaciones en Materiales, UNAM Dr. Rafael Colás. Profesor, Universidad Autónoma de Nuevo León Dr. Hugo Navarro, Dr. Oliverio Rodríguez. Director General, Centro de Investigación en Química Aplicada. Dr. Gerardo Trápaga. Director. CINVESTAV Unidad Querétaro. Dr. Alfredo Aguilar. Director Académico, Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C.