CURSO DE POLIMERIZACIÓN RADICÁLICA CONTROLADA / VIVIENTE

(18 Horas) Objetivo. Que el estudiante se familiarice y entienda los conceptos básicos de la técnica de polimerización radicálica controlada/viviente. Se espera que al final del curso el estudiante sea capaz de leer la literatura especializada en el tema y de definir cuándo y cómo aplicar estas técnicas en problemas científicos y en la industria, y de apreciar sus ventajas y limitaciones. 1. Conceptos Básicos (1.5 horas). 1.1 Recapitulación de polimerización por radicales libres.

1.1.1 Polimerización por radicales libres. 1.1.2 Fugacidad de radicales libres. 1.1.3 Estado estacionario en polimerización iniciada por radicales libres.

1.2 Características de una polimerización controlada/viviente. 1.3 Principios básicos de la CRP.

1.3.1 Nomenclatura. 1.3.2 Efecto del radical persistente. 1.3.3 Intercambio entre especies activas y durmientes y clasificación de los métodos de CRP. 1.3.4 Sistemas iniciantes.

2. SFRP / NMRP. Polimerización mediada por radicales libres estables / caso nitróxido (4.5 horas). 2.1 Mecanismo y cinética. 2.2 Nitróxidos: TEMPO y derivados, TIPNO y SG1. 2.3 Datos experimentales, ejemplos de síntesis de homo y co-polímeros. 2.4 Coeficientes cinéticos: medición y fuentes. 2.5 Aspectos prácticos y aplicación industrial. 3 ATRP y sus variantes (6 horas). 3.1 Tipos de catalizadores activos a ATRP. 3.2 El potencial de óxido-reducción como guía de la actividad. 3.3 ATRP directa e inversa. 3.4 ATRP simultánea e inversa e iniciación normal (SR&NI). 3.5 Activadores generados por transferencia de electrón. (AGET). 3.6 Activadores regenerados por transferencia de electrón (ARGET). 3.7 Regeneración continua del activador (ICAR). 3.8 Polimerización radicálica con organometálicos. (OMRP). 3.9 Resumen sobre las variantes en ATRP.

4 Polimerización RAFT (Reversible Addition-Fragmentation Transfer) (6 horas). 4.1 Diferencias cinéticas entre la reacción de transferencia de cadena y reacción de terminación 4.2 Descripción de la polimerización RAFT

4.2.1 Génesis y datos históricos sobre la polimerización RAFT. 4.2.2 Descripción general 4.2.3 Mecanismo de formación de cadenas 4.2.4 Estado actual de la técnica 4.2.5 Elección de agentes de transferencia 4.2.6. Síntesis de agentes RAFT 4.2.7 Polimerización MADIX

4.3 Metodologías 4.3.1 Polimerizaciones en masa 4.3.2 Polimerizaciones en medio heterogéneo

4.4 Aplicaciones 4.4.1 Diseño de polímeros y copolímeros 4.4.2 Formación de estructuras complejas 4.4.3 Polimerización sobre superficies

4.5 Limitaciones y futuro 4.5.1 Producción de agentes de transferencia 4.5.2 Estabilidad de cadenas, color, olor. 4.5.3 Aplicaciones industriales.

Bibliografía. 1. Wade A. Braunecker, William C. Brown, Brian C. Morelli, Wei Tang, Rinaldo Poli, Krzysztof Matyjaszewski, Macromolecules 2007, 40, 8576-8585. 2. Thomas P. Davis; Krzysztof Matyjaszewski; HANDBOOK OF RADICAL POLYMERIZATION, 2002, John Wiley and Sons, Inc. 3 Nicolay V. Tsarevsky and Krzysztof Matyjaszewski, “Green” Atom Transfer Radical Polymerization: From Process Design to Preparation of Well-Defined Environmentally Friendly Polymeric Materials. Chem. Rev. 2007, 107, 2270-2299. 4. Wade A. Braunecker, Krzysztof Matyjaszewski, Controlled/living radical polymerization: Features, developments, and perspectives Prog. Polym. Sci. 32 (2007) 93–146.

5. Atsushi Goto y Takeshi Fukuda, Kinetics of Living Radical Polymerization, Prog. Polym. Sci. 29 (2004) 329-385. 6. Cristopher Barner-Kowollik (Editor), Handbook of RAFT Polymerization, Wiley-VCH, 2008. 7. Bert Klumperman, Eric, T.A. van den Dungen, Johan, P.A. Heuts, Michael J. Monteiro, RAFT-Mediated Polymerization – A Story of Incompatible Data ?, Macromol. Rapid Commun. 2010, 31, Publicado en línea 5 JUL 2010 | DOI: 10.1002/marc.200900907.

POLIMERIZACIÓN POR COORDINACIÓN (18 HORAS)

I. INTRODUCCIÓN

1.1 Generalidades de la polimerización por coordinación

1.1.1 Tipo de monómeros y catalizadores 1.1.2 Catalizadores de óxidos metálicos (Catalizador de Phillips, Mo, V, etc.) 1.1.3 Desarrollo de los catalizadores Ziegler-Natta 1.1.4 Mecanismos de la polimerización por coordinación (Mecanismo Cossee-

Arlman) 1.1.5 Tipo de polímeros obtenidos en polimerización por coordinación

II. POLIMERIZACIÓN DE OLEFINAS NO POLARES

2.1 Catalizador Phillips (Mo y V) 2.2 Definición y componentes de los catalizadores 2.3 Polimerización homogénea 2.4 Polimerización heterogénea 2.5 Comportamiento cinético de los catalizadores de Phillips y óxidos metálicos 2.6 Catalizadores Ziegler-Natta clásicos

2.6.1 Definición, estructura y componentes de los catalizadores Ziegler-Natta clásicos

2.6.2 Cinética de las polimerizaciones Ziegler-Natta 2.6.3 Polimerizaciones homogéneas 2.6.4 Polimerizaciones heterogéneas 2.6.5 Estereoselectividad en las polimerizaciones 2.6.6 Homopolimerizaciones y copolimerizaciones con dienos conjugados y

cicloolefinas

2.7 Catalizadores de sitio único (SSC). Catalizadores metalocenos y geometría constrained (CGC)

2.7.1 Definición, estructura y componentes de los SSC 2.7.2 Estereoselectividad en las polimerizaciones 2.7.3 Efecto de la estructura del catalizador en las polimerizaciones 2.7.4 Mecanismo de polimerización 2.7.5 Polimerización homogénea -olefinas 2.7.7 Catalizadores SSC soportados 2.7.8 Efecto del tipo de soporte 2.7.9 Polimerización y copolimerización heterogénea con catalizadores SSC

2.8 Catalizadores con metales d10 (late transition metals)

2.8.1 Definición, estructura y componentes de los sistemas catalíticos 2.8.2 Estereoselectividad de los catalizadores. Efecto de la estructura del

catalizador. 2.9 2.4.3 Polimerización y copolimerización heterogénea con catalizadores

con metales de transition (late transition metals)

III. MONÓMEROS POLARES, HETEROCÍCLICOS, VINIL AROMÁTICOS Y ALQUINOS, POLIMERIZADOS POR POLIMERIZACIÓN POR COORDINACIÓN

3.1 Tipo de catalizadores 3.2 Tipos de polímeros y copolímeros

IV. METODOS DE POLIMERIZACIÓN EN POLIMERIZACIÓN POR COORDINACIÓN

4.1 Solución 4.2 Slurry 4.3 Fase gaseosa 4.4 Procesos comerciales para la obtención de poliolefinas de coordinación

TECNICAS DE RMN APLICADAS A LA CARACTERIZACIÓN DE POLIMEROS. I.- Introducción II.- RMN de polímeros, en solución.

2.1. Complejidad en los espectros de RMN de polímeros. 2.2. Determinación de la microestructura de los polímeros. 2.3 Regioisomerismo. 2.4. 13C-RMN para determinar los efectos: alfa, beta, gama y delta. 2.5. Efecto gama-gauche. 2.6. El caso del poli cloruro de vinilo.

III. Isomería estereoquímica. 3.1. 1H y 13C-RMN para la observación de la tacticidad. 3.2. Observación de la tacticidad por RMN heteronuclear. 3.3. Método de Estadistica de cadena para la asiganción de señales en polímeros con

tacticidad. 3.4. Estadisticas de Bernoullian, 1er orden Markov, 2º orden Markiv, Fox-Coleman.

IV. nD-RMN para la asignación de estereosecuencias.

4.1. Doble quantum filtered COSY. 4.2. INADEQUATE. 4.3.TOCSY. 4.4.HMQC.

V. Polímeros con Isomería Geométrica

5.1. Caso polibutadieno. 5.2. Polimeros ramificados. 5.3 Polímeros funcionalizados, Determinación del Mn por 1H y heteronuclear.

VI. RMN: Microestructura en Copolimeros.

6.1 NOESY. Como método para las determinaciones de distancia espacial entre sustituyentes.

6.2 Tiempos de relajación, para la determinación de conformación local. VII. RMN EN ESTADO SOLIDO.

7.1. El origen del ensanchamiento de las señales. 7.2. Desplazamiento Químico Anisotrópico. 7.3. Alta resolución en espectros en estado sólido. CP-MAS. 7.4. 1H-RMN en estado sólido.

CARACTERIZACIÓN DE LÁTEX POLIMERICOS

1. Motivación.

2. Introducción.

3. Terminología de procesos de polimerización y de polímeros en medios dispersos.

4. Principios estadísticos fundamentales.

5. Carga superficial: potencial zeta, punto isoeléctrico, movilidad electroforética.

6. Generalidades sobre los métodos comunes para la determinación de la distribución de

diámetros de partícula. Diámetros promedio y dispersidad.

7. Familias o grupos de principios de medición:

7.1 Ensamblaje.

7.2 Fraccionamiento.

7.3 Conteo (selección).

8. Dispersión de luz.

9. Microscopía electrónica (TEM, STEM, SEM, etc.).

10. Fraccionamiento de flujo mediante un campo de flujo (Flow Field-Flow Fractionation).

11. Análisis de imágenes.

12. Otros

13. Prácticas de laboratorio.

14. Interpretación de resultados.

MÉTODOS NUMÉRICOS APLICADO A PROCESOS DE POLIMERIZACIÓN Objetivo del curso. Proporcionar las bases matemáticas y las herramientas requeridas para la solución de modelos dinámicos y estacionarios que se encuentran en el área de polímeros.

1. Sistemas de ecuaciones algebraicas lineales y no lineales. 1.1 Propiedades y métodos de solución. 1.2 Métodos lineales (Gauss). 1.3 Métodos no-lineales (Newton-Raphson).

2. Sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias. 2.1 El método Euler. 2.2 Métodos explícitos e ímplícitos. 2.3 Métodos adaptivos. 2.4 Sistemas rígidos y su solución. 2.5 Códigos computacionales. 2.6 Sistemas de gran escala.

3. Solución numérica de ecuaciones diferenciales parciales. 3.1 Tipos de ecuaciones diferenciales parciales y contexto fisico. 3.2 Método de diferencias finitas. 3.3 El método de elemento finito (MEF).

4. Otros métodos. 4.1 Método de momentos. 4.2 Método de MonteCarlo.

Referencias.

1. Algebra lineal 5a. Ed., Stanley Grossman, Mc-Graw Hill, 2000.

2. Numerical methods for engineers 2a. ed., Chapra & Canale Mc-Graw Hill, 1990.

3. Advanced Engineering Mathematics 7a. ed., Erwin Kreyszig, Prentice Hall, 1993.

4. Ecuaciones diferenciales con aplicaciones, 2a. ed., Dennis G. Zill, Grupo Editorial Iberoamericano, 1988.

5. Análisis numérico, Burden & Faires, Grupo Editorial Iberoamericano, 1985.

6. Engineering problem solving with MATLAB, D. M. Etter,Prentice Hall, 1993

MODELACIÓN Y SIMULACIÓN DE REACTORES DE POLIMERIZCIÓN

OBJETIVO Desarrollar las habilidades necesarias en el estudiante para entender los conceptos de modelación y simulación de reactores de polimerización. Al final del curso el estudiante será capaz de manejar los conceptos relacionados con el tema y aplicarlos a casos específicos. 1. Repaso sobre reacciones de polimerización y sobre polímeros.

1.1 Noción de polímeros.

1.2 Peso molecular. 1.3 Distribución de pesos moleculares. 1.4 Polimerización por crecimiento de cadena. 1.5 Polimerización por crecimiento en pasos.

2. Análisis cinético de la polimerización.

2.1 Suposición de estado quasi-estacionario. 2.2 Modelos matemáticos. 2.3 Copolimerización.

3. Reactores por lotes

3.1 Semilotes 3.2 CSTR y de flujo pistón.

4. Simulación ad-hoc vs. Simuladores de propósito general.

4.1 Homopoly. 4.2 ASPEN. 4.3 POLYRED

5. Casos de estudio

Referencias.

Control of Polymerization Reactors. F. Joseph Shork, Pradeep B. Deshpandee and Kenneth W. Leffew Marcel Dekker 1993. Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers. 2n Ed. William L. Luyben Mc-Graw Hill 1990. Polymerization Process Modeling

N. Dotson, R. Galván, R.L. Laurence, M. Tirrell VCH Publishers Inc. 1996.

ANÁLISIS Y TRATAMIENTO DE DATOS EXPERIMENTALES

1. Motivación.

2. Introducción.

3. Principios estadísticos fundamentales.

4. Discriminación de datos experimentales.

5. Pruebas de normalidad.

6. Tipos de modelos.

6.1 Mecanísticos.

6.2 Estocásticos.

6.3 Mixtos.

7. Regresiones.

7.1 Lineales.

7.2 No - lineales.

7.3 Programas comerciales (Curve Expert).

8. Pruebas de bondades de ajuste.

8.1 Desviación estándar.

8.2 Análisis de residuos.

8.3 Prueba de Durbin - Watson.

8.4 Efecto de adición de un término adicional en polinomios.

CONTROL DE REACTORES DE POLIMERIZACIÓN

OBJETIVO

Desarrollar las habilidades necesarias en el estudiante para entender los conceptos de control

de procesos con especial énfasis a los problemas encontrados en reactores de polimerización.

Al final del curso el estudiante será capaz de manejar los conceptos relacionados con el tema y

aplicarlos a casos específicos.

1. Introducción a los sistemas de control.

1.1 Ejemplo introductorio y conceptos básicos.

1.2 Perspectiva del problema de control.

1.3 La transformada de Laplace.

1.4 Inversión por fracciones parciales.

2. Dinámica de sistemas de lazo abierto.

2.1 Respuesta de sistemas de primer orden.

2.2 Respuesta de sistemas de primer orden en serie.

2.3 Sistemas de alto orden: sistemas de segundo orden y sistemas con tiempo muerto

3. Sistemas de lazo cerrado.

3.1 El sistema de control.

3.2 El controlador y el elemento final de control.

3.3 Diagrama de bloques de un sistema de control de un reactor químico.

4. Aplicaciones a procesos químicos.

4.1 Estrategias de control avanzado.

4.4 Sintonización de controladores.

4.5 Identificación de procesos.

4.6 Los reactores de polimerización.

5 Instrumentación Aspectos relativos a los sistemas de instrumentación.

5.1 Sistemas de medición.

5.2 Mediciones analíticas en línea.

5.3 Medición de flujo.

5.4 Medición de nivel.

5.5 Medición de presión.

5.6 Mediciones de temperatura.

5.7 Teoría del control discreto

5.8 Tendencias en el control de procesos.

5.9 Control de operaciones unitarias.

5.10 Instrumentos para la operación final de control.

Referencias.

Process systems analysis and control. 2a. Ed.

Coughanowr Donald R.

Mc-Graw Hill 1991.

Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers. 2n Ed.

William L. Luyben

Mc-Graw Hill 1990.

Process Dynamics, Modeling and Control.

Babatunde Ogunnaike, W. Harmon Ray

Oxford University Press, 1994.

Ingeniería de Control Moderna. 2a. Ed.

Katsuhiko Ogata

Prentice Hall 1990.

Control of Polymerization Reactors.

F. Joseph Shork, Pradeep B. Deshpandee and Kenneth W. Leffew

Marcel Dekker 1993.

TECNICAS ESPECIALIZADAS DE MOLDEO POR INYECCION (18 horas)

1.- INYECCIÓN DE MULTIMATERIALES (4 HORAS)

INYECCION MULTICOLOR

INYECCION DE MATERIALES COMBINADOS

INYECCION MULTI DISPAROS (MULTI-SHOT IM)

INYECCION CON TORNILLO HORADADO (TWIN-SHOT IM)

2.- INYECCIÓN ASISTIDA CON GAS (GAIM) (4 HORAS)

3.- INYECCION DE PARED DELGADA (THIN WALL IM) (2 HORAS)

4.- SOBRE-MOLDEADO (OVER-MOLDING IM) (1 HORAS)

5.- INYECCION CON ENFRIAMIENTO-CALENTAMIENTO EN MOLDE (HEAT AND COOL IM) (1 HORA)

6.- DECORATION O IMPRESION EN EL MOLDE (1 HORA)

7.- OTRAS TECNICAS DE MOLDEO (5 HORAS)

INYECCIÓN ASISTIDA CON AGUA (WAIM)

CO-INYECCIÓN

INYECCIÓN REACTIVA (RIM O RRIM)

MOLDEO POR INYECCIÓN-COMPRESIÓN

PROCESO DE EXTRUSION-COMPRESION PARA TAPAROSCAS

INYECCION CON DADO DESLIZABLE (DSI IM)

INYECCION CON CORAZÓN PERDIDO (LOST CORE IM)

MICRO Y NANO INYECCIÓN

INYECCION DE PIEZAS ESPUMADAS (STRUCTURAL FOAM IM)

INYECCION LAMELLAR

INYECCION CON ALIMENTACIÓN MÚLTIPLE (LIVE-FEED IM)

BIBLIOGRAFIA:

1.- Specialized Molding Techniques, Helmut Potente , SPE

2.- Injection Molding Handbook, Osswald-Turng-Gramann, Hanser

3.- Gas-assist Injection Molding, Jack Avery

4.- Handbook of Molded Part Shrinkage and Warpage, Jerry M. Fischer, PDI

5.- Injection Molding Handbook, D.V. Rosato, Hanser

FUNDAMENTOS DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS

(18 HORAS)

I.- Introducción.

Transporte de Momentum y Transporte de Calor.

II.- Modelamientos Básicos.

Definición del proceso

Definición de las ecuaciones que rigen el proceso (momentum, calor)

Apoyos: Ley de la potencia; Relaciones termodinámicas; etc.

Definición de condiciones frontera.

III.- Construcción del Algoritmo.

Cómo se van a solucionar todas las ecuaciones

IV.- Métodos Numéricos (para solucionar las ecuaciones).

Se comentará sobre varios de estos métodos, pero se estudiarán sólo 3; y de estos 3, se tratará principalmente el método implícito de diferencias finitas.

Diferencias finitas; (método implícito y método explícito).

Elemento finito (2D); (explicación del método, sin profundidades matemáticas).

Volumen finito (3D); (explicación del método, sin profundidades matemáticas).

V.- Programación.

Fundamentos de MatLab y Mathematica para programación.

Verificación de resultados.

VI.- Prácticas con Simuladores Comerciales.

COMSOL; MOLD-FLOW

TECNOLOGÍA DE PROCESOS DE MANUFACTURA:

EXTRUSIÓN E INYECCIÓN

(18 horas)

CONTENIDO

I EXTRUSION (09 horas)

a) Características generales de extrusión con monohusillo (1 hs)

b) Análisis de flujo en el extrusor y en el dado (2 hs)

c) Eficiencia del extrusor (2 hs)

d) Métodos de fabricación basados en la extrusión (1 hs)

e) Características generales de extrusión con doblehusillo (1 hs)

f) Uso de los extrusores doble-husillo en el mezclado (2 hs)

II MOLDEO POR INYECCION (09 horas)

a) Los ciclos del proceso de inyección (1 hs)

b) Polímeros amorfos vs polímeros semicristalinos (1 hs)

c) Tipos de moldes (2 hs)

d) Análisis de flujo en el molde (2 hs)

e) Defectos posibles en piezas moldeadas (2 hs)

f) Orientación-encogimiento-propiedades (1 hs)

BIBLIOGRAFÍA

1) Extrusión de Plásticos: Principios Básicos L.F.Ramos-deValle Limusa

2) Moldeo por Inyección de Termoplásticos S.Sánchez, I.Yañez y O.Rodríguez Limusa

EXTRUSION REACTIVA (18 horas)

CONTENIDO

EXTRUSION DOBLE HUSILLO (4 horas)

Tipos (“Intermeshing”, Conjugados, Co- Contra- Rotatorios) (0.5 hs)

Principios de Operación y Geometría (0.5 hs)

Tipo de Flujo en un Extrusor Doble Husillo (1 hs)

Cálculo del Flujo en un Extrusor Doble Husillo (1 hs)

Uso de los Extrusores Doble Husillo en el Mezclado (1 hs)

EXTRUSION REACTIVA (14 horas)

Introducción – El extrusor como reactor químico

Aspectos Fundamentales del Proceso REX (2 hs)

Influencia de los Parámetros del Proceso (Temperatura, Tiempo de Residencia, Configuración de los

Husillos, etc.) (6 hs)

Casos de Estudio:

REX para Funcionalización de Polímeros y para Inserción de Injertos (2 hs)

Inserción de Anhidrido Maléico

Inserción de Metacrilato de Glicidilo

REX para Modificación Reológica; Control del MFI (1 hs)

REX en Mezclas y Aleaciones de Polímeros – Compatibilización (1 hs)

REX en homopolimerizaciones (e.g. PA6 y PS) (1 hs)

REX para Vulcanización Dinámica (1 hs)

BIBLIOGRAFÍA

Extrusión de Plásticos: Principios Básicos 174p

L.F.Ramos-deValle

Limusa

Reactive Extrusion: Principles and Practice 304p

Marino Xantos

Hanser Publishers 1992

Reactive Extrusion Systems 252p

Leon P. B. M. Janssen

Marcel Dekker, Inc. 2004

Compuestos Poliméricos Nanoestructurados

(18 horas de curso) CONTENIDO

II.- INTRODUCCIÓN A LA NANOTECNOLOGÍA (2 horas)

Entendiendo el tamaño; qué es “nano”?

Definición y clasificación de nanotecnología; áreas de desarrollo.

Aplicaciones de la nanotecnología

III.- TIPOS DE NANOPARTÍCULAS (4 horas)

Nanoparticulas orgánicas e inorgánicas; (nanopartículas de carbón, nnopartículas de sales u óxidos, como, arcillas, óxido de titanio, etc., nanopartículas metálicas, nanoestructuras especiales, por ejemplo, estructuras core-shell, e híbridos inorgánicos-orgánicos).

Efectos del tipo, tamaño y forma de las nanopartículas, en las propiedades del nanocompuesto

Efectos de la dispersión y distribución de las nanopartículas en las propiedades del nanocompuesto

Efectos de la compatibilidad entre nanopartículas y matriz polimérica en las propiedades del nanocompuesto.

IV.- MATERIALES POLIMÉRICOS NANOESTRUCTURADOS (8 horas)

o Compatibilización "Nanopartículas – Matriz Polimérica" (4 horas)

Modificación de las nanopartículas

Modificación de la matriz polimérica

Adición de un tercer agente; "un compatibilizante" o Mecanismos de dispersión de las nanopartículas (4 horas)

Mezclado en fundido

Mezclado y polimerización in situ V.- CARACTERIZACION Y PROPIEDADES DE NANOMATERIALES (2 horas)

o Introducción o Propiedades físicas y mecánicas de nanocompuestos o Caracterización estructural o Caracterización química

VI.- APLICACION DE NANOMATERIALES (2 horas) o Ejemplos de nanocompuestos con diferentes polímeros o Aplicaciones de nanocompuestos poliméricos

BIBLIOGRAFIA

"Polymer Nanocomposites" 613p. Yiu-Wing Mai and Zhong-Zhen Yu CRC Press 2006

"Metal Polymer Nanocomposites" 320p Luigi Nicolais and Gianfranco Carotenuto Wiley-Interscience 2005

"Flame Retardant Polymer Nanocomposites" 451p Alexander B. Morgan and Charles A. Wilkie Wiley-Interscience 2007

"Polymer-Layered Silicate and Silica Nanocomposites" 405p Y.C. Ke and P. Stroeve Elsevier 2005

TÓPICOS EN MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO Y TRANSMISIÓN

(18 Horas)

Objetivo General

En el curso se estudiarán los principios y aplicaciones de la Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Transmisión en sus modos Convencional (CTEM), de Alta Resolución (HRTEM) y Barrido-Transmisión (STEM). Se abordarán ejemplos de aplicaciones a diferentes tipos de materiales, así como el análisis e interpretación de imágenes digitales obtenidas en el microscopio y su correlación con imágenes simuladas. Al finalizar el curso, se pretende que el alumno conozca los alcances y las limitaciones de las diferentes técnicas, así como la interpretación de imágenes obtenidas y al mismo tiempo sea capaz de formular una propuesta de caracterización microscopía electrónica.

CONTENIDO

I. Microscopía electrónica de barrido (SEM)

Interacciones electrón-sólidos Configuración del microscopio electrónico barrido Fuentes de emisión y lentes electromagnéticas Detección de las señales Parámetros de operación Análisis químicos cuantitativos y mapeos con filtro de energía Preparación de muestras Microscopía electrónica de barrido de presión variable y ambiental

II. Sistema de Doble-Haz (electrones/iones, SEM/FIB)

Introducción y funcionamiento de un sistema de Doble-Haz Columna de electrones e iones Interacción iones-muestra Imagen con iones/resolución Introducción a los haces de iones focalizados (FIB) Depósito de metales usando un FIB Preparación de muestras para SEM mediante un sistema FIB Preparación de muestras para TEM mediante FIB Manipulación de la muestra Adelgazamiento final Casos de estudio y aplicaciones Micro y nanofabricación de dispositivos in-situ Microscopía electrónica en 3D en sistema de doble haz

III. Microscopía electrónica de transmisión convencional (TEM)

Instrumentación de un TEM: fuente de electrones, lentes, aperturas, cámara. Teoría cinemática de los electrones Difracción de electrones Patrones de Debye-Scherrer. Estructura cristalina de los sólidos Espacio recíproco Simetrías en cristales Defectos cristalinos Esfera de Ewald. Patrones de Kikuchi. Patrones de haz convergente. Indexación de patrones de difracción y simulaciones Campo brillante y oscuro y haces débiles Condición de n-haces Preparación de muestras para TEM Práctica I

IV. Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM)

Contraste de fase y formación de la imagen a escala atómica Corrección de aberraciones y uso de la transformada de Fourier Aplicación a materiales nanoestructurados e interfases (medida de espaciados interplanares e interpretación cristalográfica) Interpretación de imágenes experimentales y simulación de imágenes Práctica II

V. Microscopía electrónica de barrido-transmisión (S/TEM) y análisis químicos

Detectores y formación de imágenes en STEM Corrección de aberraciones: astigmatismo y Ronchigrama DF y DF en STEM HAADF-STEM: alta resolución Ejemplos prácticos Energía dispersiva de rayos-X (EDS) Espectroscopía de electrones de pérdida de energía (EELS) Pico de pérdida cero y plasmones Análisis químico cuantitativo-EELS Efectos Finos Mapas químicos

VI. Análisis digital de imágenes

Imágenes digitales obtenidas a partir de negativos y cámaras digitales Formatos de imágenes Filtros en imágenes Interpretación de imágenes experimentales Simulación de imágenes y difracción de electrones en TEM Extracción de información cuantitativa en TEM Práctica III

Duración de los temas:

I: 2 hrs II: 2 hrs III: 4 hrs + 1 hr de práctica I IV: 4 hrs + 1 hr de práctica II V: 2 hrs VI: 1 hrs +1 hr de práctica III

Bilbliografía

[1]. Las presentaciones y las notas del curso estarán disponibles electrónicamente antes de

ser impartido. Así mismo, se recomiendan los siguientes libros: [2]. C.A. Volkert y A.M. Minor, “Focused Ion Beam Microscopy and Micromachining”, MRS

Bulletin 32 (2007) 389-395. [3]. B. Van Leer y L.A. Giannuzzi, “Advances in TEM Sample Preparation Using a Focused Ion

Beam”, Microscopy and Microanalysis 14 (2008) 380-381. [4]. T. Ishitani, H. Tsuboi, T. Yaguchi y H. Koike, “Transmission Electron Microscope Sample

Preparation Using a Focused Ion Beam”, Journal of Electron Microscopy 43 (1994) 322-326.

[5]. J.C.H. Spence (2003) High-resolution electron microscopy, Oxford University Press. [6]. David B. Williams and C. Barry Carter (2004) Transmission Electron Microscopy: A

Textbook for Materials Science, Plenum Press. [7]. P.E. Champness (2006) Electron Diffraction in the Transmission Electron Microscope,

Microscopy Handbooks. [8]. J.W. Edigton (1976) Practical Electron Microscopy Materials Science [9]. Alfredo Gómez y Luis Manuel Beltrán (2007) SimulaTEM: Simulación de imágenes de

microscopía electrónica de alta resolución, Sociedad Mexicana de Cristalografía.

Sitios Web de interés:

http://cecm.insa-lyon.fr/CIOLS/crystal1.pl http://www.mfa.kfki.hu/%7Elabar/ProcDif.htm

PROPIEDADES FÍSICAS I. PROPIEDADES ELÉCTRICAS Y MAGNÉTICAS

(18 horas.)

Descripción del curso El curso constituye una introducción general a los materiales dieléctricos, ferroeléctricos, magnéticos y sus propiedades. Se divide en tres unidades de 6 horas lectivas que abordan los fundamentos de la electricidad y el magnetismo, las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales y las técnicas más empleadas para su caracterización. Objetivo: El objetivo general del curso es proporcionar a los estudiantes conocimientos básicos sobre las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales.

1. Introducir a los estudiantes los conceptos básicos y los fenómenos físicos que definen las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales.

2. Proporcionar el conocimiento base para el desarrollo, caracterización y estudio de nuevos materiales dieléctricos, ferroeléctricos y magnéticos.

Contenido 1. Fundamentos de electricidad (6 horas)

1.1 Carga eléctrica. Campo eléctrico. Ecuaciones de Maxwell. 1.2. Corriente eléctrica. Conductividad eléctrica. Clasificación de los materiales

atendiendo a su respuesta eléctrica. 1.3. Campo eléctrico. Desplazamiento eléctrico y densidad de flujo. 1.4. Polarización 1.5. Materiales dieléctricos y sus propiedades. 1.6. Materiales ferroeléctricos. Piezoelectricidad.

2. Magnetismo y propiedades magnéticas (6 horas) 2.1. Origen del magnetismo. Tipos de magnetismo. Clasificación de los materiales

atendiendo a su respuesta magnética. 2.2. Histéresis magnética. Magnitudes fundamentales. 2.3. Diamagnetismo, paramagnetismo. Ferromagnetismo. Clasificación de los materiales

ferromagnéticos.

2.4. Magnetización. Polarización magnética. 2.5. Procesos de magnetización. Dominios magnéticos. 2.6. Anisotropía magnetocristalina. Anisotropía de forma. Campo desmagnetizante. 2.7. Relajación magnética. Superparamagnetismo. Materiales compuestos.

3. Caracterización de propiedades eléctricas y magnéticas (6 horas) 3.1. Espectroscopía de impedancias. 3.2. Mediciones de histéresis eléctrica. Polarización remanente. 3.3. Mediciones en materiales ferroeléctricos. Constantes Piezoeléctricas. Fatiga. 3.4. Magnetometría vibracional. Principio de funcionamiento. Magnetometría vectorial

y escalar. Histéresis. Magnitudes magnéticas. 3.5. Magnetización en función de la temperatura. 3.6. Susceptibilidad AC en función de la temperatura y de la frecuencia. Permeabilidad.

Bibliografía 1. F. Jona and G. Shirane, “Ferroelectric crystals”, Dover ed. (1993) 2. M Marder, “Condensed matter physics”, Wiley & Sons, Inc. (2000) 3. B. D. Cullity and C. D. Graham, “Introduction to magnetic materials”, 2nd Ed. Wiley & Sons, Inc. (2009)

PROPIEDADES FÍSICAS II. SEMICONDUCTORES OPTOELECTRÓNICOS (18 Horas)

Objetivo General El propósito del curso es proporcionar al estudiante una visión general de los materiales semiconductores, así como principios del funcionamiento de los dispositivos semiconductores en Optoelectrónica. En el curso se estudiará los fenómenos físicos que resultan de la interacción entre la radiación electromagnética, los electrones y la estimulación eléctrica con los átomos del material. Los dispositivos a estudiar contemplan principalmente a aquellos que generan (diodos emisores de luz, diodos láseres semiconductores) y detectan (fotoconductores, fotodiodos, etc.) luz.

Contenido

I.- Semiconductores orgánicos e inorgánicos 1.1. Introducción: estructura de semiconductores y sus propiedades ópticas.

1.2. Semiconductividad en materiales moleculares orgánicos: moléculas simples, cadenas cortas y polímeros orgánicos.

1.3. Cristalinidad en los materales seemiconductores orgánicos e inorgánicos. 1.4. Cristales Líquidos (CL). Conceptos generales. 1.5. Aplicaciones de los cristales líquidos.

1.6. Impurificación en materiales semiconductoes, esttadística Fermi-Dirac y niveles de Fermi.

1.7. Ancho de banda prohibida y estados electrónicos. 1.8. Relación entre las constantes ópticas y eléctricas de los sólidos. 1.9. Técnicas de caracterización de materiales semiconductores luminiscentes. II.- Absorción

2.1. Introducción. 2.2. Dispersión y absorción por portadores libres. 2.3. Teoría elemental de estados debido a impurezas 2.4. Excitones. 2.5. Teoría de transiciones cuánticas (perturbaciones dependientes del tiempo). 2.6. Absorción intrínseca de la luz por semiconductores 2.7. Absorción por transiciones indirectas y estados localizados 2.8. Fotodiodos semiconductores 2.9. Celdas solares.

III.- Emisión de Radiación en Semiconductores

3.1. Introducción. 3.2. Velocidad de recombinación 3.3. Tiempo de relajación y de vida 3.4. Eficiencia cuántica interna de emisión 3.5. Transiciones directas e indirectas 3.6. Autoabsorción 3.7. Recombinación radiativa a través de estados localizados 3.8. Transiciones donador-aceptor 3.9. Recombinación entre pares más próximos 3.10. Recombinación no-radiativa 3.11. Efecto Auger 3.12. Recombinación superficial 3.13. Diodos LEDs y láseres 3.14. Principios de la emisión estimulada de luz y de funcionamiento de láseres. 3.15. Propiedades básicas de diodos láseres basados en heteroestructuras. BIBLIOGRAFIA [1]. The Nobel Prize in Chemistry, 2000: Conductive polymers, nobelprize.org [2]. Semiconductor Optoelectronics, T.S. Moss, G.J. Burrel, B. Ellis London Butterworths 1973 [3]. Semiconductor Physics, P. Kireev, Ed. MIR Moscu 1978 [4]. Optical Process in Semiconductor, P.I. Pankove, Prentice Hall New Jersey 1971 [5]. B. E. Saleh and Teich, "Fundamentals of Photonics", (Willey, New York), 1991. [6]. N. Karl, “Organic Semiconductors”, in O. Madelung, M. Schulz, and H. Weiss (eds.), Landolt-Boernstein (New Series), Group III, Vol. 17, Semicondcuctors, Subvolume 17i, p. 106. Springer, Berlin, 1985. [7]. E. A. Silinsh, Organic Molecular Crystals. Springer, Berlin 1980. [8]. M. Pope and C. E. Swenberg, Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers. Oxford University Press, Oxford 1999.

OPTOELECTRONICA MACROMOLECULAR ORGANICA (18 Horas)

Objetivo: Que el estudiante adquiera los conocimientos teóricos fundamentales sobre una rama de la

química supramolecular; la síntesis de los oligómeros, polímeros y dendrímeros -conjugados, la química de macromoléculas sustituidas con fulerenos, la relación estructura-propiedades de conducción y ópticas y las áreas de aplicación en optoelectrónica molecular orgánica. Alcances: Al finalizar el curso, el alumno conocerá los mecanismos de síntesis necesarios para llevar a cabo acoplamientos de triples, dobles o simples enlaces a halogenuros de arilo, permitiéndole

diseñar estructuras supramoleculares complejas y altamente -conjugadas como dendrímeros, oligómeros lineales, oligómeros estrella, polímeros, cicloadiciones a fulerenos, lo cual le permitirá a su vez conocer las diferentes técnicas de caracterización física y fisicoquímica afines a las propiedades intrínsecas a estas moléculas como lo son la semiconducción, la fotoconducción, la emisión de fotones, el fotovoltaísmo, el arreglo espontáneo; propiedades que conllevan a estos materiales a la construcción de dispositivos optoelectronicos como diodos electroluminiscentes y celdas fotovoltaicas.

Contenido:

I. Reacciones de Acoplamientos con paladio.

1.1 Ciclo catalítico de Heck-Sonogashira y Amatore para la formación de dobles y triples enlaces

1.2 El ciclo catalítico de Suzuki II. Ingeniería Molecular; Síntesis de Oligómeros y Polímeros arilenetinilenos y vinilidenos

2.1 El triazeno y trimetilsililacetileno como grupos activos en la síntesis paso a paso. 2.2 Oligómeros fenilenetinilenos vía iterativa: 1) divergencia/convergencia, 2) vía mono

y bidireccional 2.3 Oligómeros fenilenvinilenos vía Heck-Wittig

2.4 Síntesis de dendrímeros vía convergencia y divergencia. III. Cicloadiciones al fulereno C60.

3.1 Cicloadición 1,3-dipolar sobre el fulereno C60 3.2 Cicloadición de malonatos sobre el fulereno C60

IV. Arreglo supramolecular de macromoléculas -conjugadas.

4.1 Lineales, en cruz, estrella, dendrimérica, globular, cilíndrica

-conjugadas.

5.1. Conjugación y propiedades ópticas 5.2. Aglomerados, rotamerísmo y otros estudios conformacionales 5.3. Espectroscopia de absorción fotoinducida; excitones, polarones, bipolarones

VI.- Espectroscopias de emisión.

6.1. Fluorescencia y fosforescencia 6.2. Fluorescencia estática: estados excitados, rendimiento cuántico, desplazamiento de

Stokes, excimeros 6.3. Transferencia de energía: Föster, fotoinducida y sus aplicaciones en optoelectrónica 6.4. Fluorescencia resuelta en el tiempo: tiempo de vida de estados excitados

VII. Dispositivos.

8.1. Técnicas de Elaboración de nanopelículas 8.1.1 Tratamiento superficial de substratos 8.1.2 Langmuir-Blodgett, Spin Coating, Autoensamblaje 8.2. Diodos electroluminiscentes 8.2.1 Estructura de diodo simple y de multicapas y mecanismo de emisión. 8.2.2 Curvas Corriente-Voltaje y Corriente-Iluminación 8.2.3 Rendimiento cuántico y eficiencia del diodo

8.2.4 Voltametría cíclica; potenciales redox, brecha energética, determinación de valores HOMO, LUMO

8.2.5 Diagramas de energía: Función de trabajo cátodo-ánodo, potenciales de barrera.

8.3. Celdas fotovoltaicas. 8.3.1 Factor de llenado, eficiencia 8.3.2 Curvas corriente-voltaje en obscuro e iluminación 8.3.3 Celdas simples, heterojuntura, “tandem”

8.3.4 Diagramas energéticos: transferencia de energía, de cargas, fotoinducidas.

Bibliografía.

Handbook of Conducting Polymers, 3rd ed., T.A. Skotheim and J. R. Reynolds, CRC Press, Taylor and Francis, Boca Raton (2007) Supramolecular Photosensitive and Electronic Materials, H.S. Nalwa, Academic Press, New York (2000) Supramolecular Polymers, A. Ciferri, CRC Press, Taylor and Francis, Boca Raton (2005) An Introduction to Ultrathin Organic Films. From Langmuir-Blodgett to Self-Assembly, A. Ulman, Academic Press, New York (1991) The structure of Molecules: An Introduction to Molecular Spectroscopy G.M. Barrow, W.A. Benjamin Inc. N.Y. Amsterdam (1963) Principles of Fluorescence Spectroscopy, II Edition, R. Lakowicz, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Hardbound, (1999) Dendrimers and Dendrons. Concepts, Syntheses, Applications G.R. Newkome, C.N. Moorefield, F. Vögtle, Wiley-VCH Verlag GmbH, FRG, (2001) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowTOC&rid=mcb. TOC The physics of solar cells, J. Nelson ed.,; Imperial College Press, UK, (2003)

NANOBIOTECNOLOGIA (18 horas)

Objetivo: El objetivo del curso es proporcionar las bases de la biología molecular y celular para entender de forma general las aplicaciones de la nanotecnología en los campos de la Biología Celular, Molecular y Medicina que haga evidente las ventajas excepcionales de esta ciencia con respecto a los estudios biológicos convencionales. Alcances: Al finalizar el curso, el alumno contará con los conocimientos básicos de la Biología molecular y celular en lo relativo a la composición de los componentes celulares, específicamente la estructura química los enlaces químicos y las interacciones de las biomoléculas entre sí y la participación del agua como el solvente universal de la vida. Partiendo de estos conceptos básicos se profundizará en el desarrollo ciertas aplicaciones específicas como son biosensores, dispersiones coloidales y electrohilado. Asimismo se hará énfasis en la caracterización de los materiales nanoestructurados y dispositivos por técnicas espectrométricas y de técnicas de microscopía avanzadas

1. FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA MOLECULAR

1.1. Introducción a la Biología Molecular y Celular

1.2. La lógica molecular de la vida

1.3. Componentes químicos de las células como base del autoensamblaje molecular

1.3.2 Bioelementos, biomoléculas y agua.

1.3.3 Enlaces químicos

1.3.4 Estructura de las macromoléculas: carbohidratos, lípidos, ácidos

1.3.5 Nucleicos y funciones

1.3.6 Estructura de proteínas y funciones: proteínas enzimáticas, de

1.3.7 Membrana, de transporte, immunitarias

2. MATERIALES Y NANOSTRUCTURAES PARA APLICACIONES BIOLOGICAS.

2.1. Interfaces entre muestres biológicas y muestras inorgánicas. 2.2.Funcionalización de superficies. 2.3. Nanopartícules Nanotubos y Nanoalambres.

2.3.1. Biosíntesis de nanopartículas metálicas 2.3.2. Aplicaciones biológicas de las nanopartículas metálicas

2.4. Liposomes y dispersiones coloidales

2.4.1. Síntesis enzimática de polímeros conductores 2.4.2. Dispersiones coloidales de polímeros conductores

2.5. Electrohilado 2.5.1. Liberación controlada de fármacos 2.5.2. Liberación controlada de proteínas

3. BIOSENSORES

3.1. Introducción a los biosensores. 3.2.Nanobiosensors ópticos 3.3 Nanobiosensores electroquímicos 3.4. Nanobiosensores mecánicos