Pasantes a la vanguardia de las nuevas tecnologías

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Los pasantes del Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL) del MIT cubrieron una amplia gama de desafíos este verano, trabajando con materiales tan suaves como la seda hasta tan duros como el hierro y a temperaturas desde tan bajas como la del helio líquido (-452,47 grados Fahrenheit) hasta tan altas como el del cobre fundido (1.984 F).

Los becarios de verano y otros pasantes participaron en el campus del MIT a través del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de MRL, con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias, la Academia de Fotónica AIM, el MRL Collegium y el programa Guided Academic Industry Network (GAIN).

Detectores de infrarrojo medio

Simon Egner, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, hizo muestras de telururo de plomo y estaño para detectar luz infrarroja media en longitudes de onda de 4 a 7 micrones para aplicaciones fotónicas integradas. Egner midió varias propiedades de los materiales de las muestras, incluida la concentración y la movilidad de los electrones. "Una cosa que se nos ocurrió recientemente es agregar óxido de plomo para tratar de disminuir la cantidad de ruido que recibimos cuando detectamos la luz con nuestros detectores", dice Egner.

El telururo de plomo y estaño es una aleación de telururo de plomo y telururo de estaño, explica Peter Su, estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales en el laboratorio del Investigador Científico Principal del Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT, Anuradha Agarwal. "Si ya tienes muchos portadores presentes en tu material, obtienes mucho ruido adicional, mucha señal de fondo, por encima de la cual es realmente difícil detectar los nuevos portadores generados por la luz que incide en tu material", dice Su. "Estamos tratando de reducir ese nivel de ruido reduciendo la concentración de portador y estamos tratando de hacerlo agregando óxido de plomo a esa aleación".

Películas delgadas para fotónica.

El académico de verano Alvin Chang, de la Universidad Estatal de Oregón, creó películas delgadas de calcogenuro con propiedades no lineales para aplicaciones fotónicas. Trabajó con el posdoctorado Samuel Serna en el laboratorio del profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales Juejun Hu. Chang varió el espesor de dos composiciones diferentes, una de germanio, antimonio y azufre (GSS) y la otra de germanio, antimonio y selenio (GSSE), creando un gradiente o relación entre los dos a lo largo de la película.

"El GSS y el GSSE tienen diferentes ventajas y desventajas", explica Chang. "Esperamos que al fusionar los dos en una película podamos optimizar tanto sus ventajas como sus desventajas para que se complementen entre sí".

Estos materiales, conocidos como vidrios de calcogenuro, se pueden utilizar para detección e imágenes por infrarrojos. Cualquier persona interesada en aprender más sobre el trabajo de Chang puede ver este vídeo.

Montaje de nanocompuestos

Tanto la profesora de química y biotecnología de Roxbury Community College, Kimberly Stieglitz, como el estudiante de Roxbury Community College, Credoritch Joseph, trabajaron en el laboratorio del profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, Robert J. Macfarlane. El laboratorio Macfarlane injerta ADN en nanopartículas, lo que permite un control preciso sobre el autoensamblaje de estructuras moleculares. El laboratorio también está creando una nueva clase de bloques de construcción químicos a los que llama Nanocomposite Tectons, o NCT, que presentan nuevas oportunidades para el autoensamblaje de materiales compuestos.

Joseph aprendió el proceso de varios pasos para crear agregados de nanopartículas de ADN autoensamblados y utilizó los que preparó para estudiar la estabilidad de los agregados cuando se exponen a diferentes sustancias químicas. Stieglitz creó NCT que consisten en grupos de nanopartículas de oro con polímeros adheridos y examinó su comportamiento de fusión en soluciones poliméricas. "En realidad, son nanopartículas que están unidas entre sí mediante redes de enlaces de hidrógeno", explica Stieglitz.

Fortalecimiento de los compuestos aeroespaciales

Abigail Nason, de la Universidad de Florida, estudió los beneficios potenciales de incorporar nanotubos de carbono en plástico reforzado con fibra de carbono [CFRP] mediante un proceso denominado “nanostitching” en el laboratorio de Brian L. Wardle, profesor de aeronáutica y astronáutica.

Se utilizan paquetes de microfibras de carbono, conocidos como remolques, para fabricar láminas de plástico reforzado con fibra de carbono de grado aeroespacial. En colaboración con el estudiante de posgrado Reed Kopp, Nason tomó escaneos tridimensionales de muestras de laminados compuestos para revelar su estructura. Las áreas entre láminas del laminado se denominan región interlaminar. Los compuestos tradicionales no tienen refuerzo en esta región interlaminar, y los nanotubos de carbono proporcionan refuerzo de fibra a nanoescala en la versión de nanopuntadas.

Kopp señala que a pesar del alto nivel de resolución requerido para dilucidar una intrincada arquitectura de características a microescala, los escaneos tridimensionales no pueden distinguir los nanotubos de carbono de la resina epoxi porque tienen densidad y composición elemental similares. "Dado que absorben los rayos X de manera similar, en realidad no podemos detectar diferencias en la interacción de los rayos X que indicarían la ubicación de los bosques de nanotubos de carbono de refuerzo, pero podemos visualizar cómo afectan la forma de la región interlaminar, por ejemplo, cómo pueden separan las fibras y cambian la forma de las regiones inherentes ricas en resina causadas durante la fabricación de la capa de plástico reforzado con fibra de carbono”.

Nason añade: “Es realmente interesante ver que no hay mucha información sobre cómo fallan los compuestos y por qué fallan de la forma en que lo hacen. Pero es realmente genial e interesante estar a la vanguardia de esta nueva tecnología y poder observar tan de cerca las capas compuestas y cuantificar las características críticas del material a microescala que influyen en las fallas”.

Sintetizar materiales electrónicos.

El becario de verano Michael Molinski, de la Universidad de Rhode Island, y el estudiante de Roxbury Community College, Bruce Quinn, trabajaron en el laboratorio del profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales Rafael Jaramillo. Trabajando con los estudiantes de posgrado Stephen Filippone y Kevin Ye, tanto Molinski como Quinn fabricaron materiales sólidos y produjeron polvos de compuestos como el sulfuro de bario y circonio, que son deseables por sus propiedades ópticas y eléctricas.

El proceso consiste en mezclar los ingredientes químicos para producir los polvos en un tubo de cuarzo en ausencia de aire y sellarlo. Quinn, la primera participante del programa GAIN, presionó en caliente los polvos hasta convertirlos en gránulos. Molinski también cultivó cristales y ambos examinaron sus polvos con difracción de rayos X.

Desarrollando modelos de esclerosis múltiple

El becario de verano Fernando Nieves Muñoz, de la Universidad de Puerto Rico en Mayagüez, trabajó en el laboratorio de Krystyn Van Vliet, profesora Michael (1949) y Sonja Koerner de Ciencia e Ingeniería de Materiales, para desarrollar modelos mecánicos de lesiones de esclerosis múltiple (EM). . Nieves Muñoz trabajó estrechamente con la científica investigadora Anna Jagielska y la estudiante graduada en ingeniería química Daniela Espinosa-Hoyos.

“Estamos tratando de encontrar una manera de estimular la reparación de la mielina en pacientes con EM para que se pueda restaurar la función neurológica. Para comprender mejor cómo funciona la remielinización, estamos desarrollando materiales a base de polímeros para diseñar modelos de lesiones de EM que imiten la rigidez mecánica de lesiones reales en el cerebro”, explica Jagielska.

Nieves Muñoz utilizó la impresión 3D por estereolitografía para crear polímeros reticulados con distintos grados de rigidez mecánica y realizó estudios de microscopía de fuerza atómica para determinar la rigidez de sus muestras. "Nuestro objetivo a largo plazo es utilizar estos modelos de lesiones y tejido cerebral para desarrollar fármacos que puedan estimular la reparación de la mielina", afirma Nieves Muñoz. "Como estudiante de ingeniería mecánica, ha sido emocionante trabajar y aprender de personas con diversos orígenes".

Otros pasantes del Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT abordaron proyectos que incluían películas delgadas superconductoras, puntos cuánticos para energía solar, partículas giratorias con magnetismo, fibras de seda activadas por carbono, baterías de flujo de hierro a base de agua y neurofibras a base de polímeros.

Una versión de esta publicación, que incluye historias de éxito adicionales de pasantes de verano de MRL, apareció originalmente en el sitio web del Laboratorio de Investigación de Materiales.

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