Responsable: DEMETRIO MENDOZA ANAYA

Objetivos:

Objetivo general

Sintetizar, caracterizar y aplicar en dosimetría nanocompositos de circonia, cobalto y europio.

Objetivos específicos

1. Síntesis e irradiación de sistemas dosimétricos nanocompuestos de circonia con cobalto y europio.

2. Caracterización microestructural de los sistemas desarrollados, a través de las siguientes técnicas: Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Microscopia Electrónica de Transmisión (MET), Espectrocopía por Energía Dispersiva de Rayos X (EDS) y Difracción de rayos X (DRX).

Antecedentes:

En la última década se ha incrementado el interés por el óxido de circonio o simplemente circonia, debido a sus propiedades químicas, mecánicas y ópticas. La circonia presenta tres estructuras cristalinas bien definidas: tetragonal, monoclínica y cúbica. La temperatura de formación de cada una de éstas, depende del proceso de obtención de la circonia y de la presencia de impurezas. Así por ejemplo, cuando la circonia es obtenida por el método sol-gel, ésta presenta una estructura amorfa, pero después de un tratamiento térmico alrededor de los 500 ºC es posible obtener circonia tetragonal, en tanto que alrededor de los 800 ºC se empieza a formar la circonia monoclínica y arriba de los 1300 ºC es posible obtener la estructura cúbica. Sus propiedades están estrechamente relacionadas con las estructuras cristalinas que presenta la circonia y sus transformaciones de fases.

Entre sus propiedades se puede resaltar su alto punto de fusión, estabilidad química (resistencia a los ácidos y bases), dureza, alto índice de refracción, bajo índice de absorción de luz. Debido a sus variadas propiedades su campo de aplicación es muy extenso. Así, es posible verlo como recubrimiento, detectores de oxígeno, en celdas de combustible de alta temperatura, soportes catalíticos, biocompositos, etc. Otra ventaja de este material cerámico es que es posible estabilizar una fase en particular al agregar algún dopante. Esto es importante dado que varias aplicaciones requieren un sometimiento de la circonia a altas temperaturas que pudieran inducir en ésta, transiciones de fase que alterarían su cristalinidad y microestructura y por lo tanto, cambiar sus propiedades físicas y químicas.

Otro campo de aplicación de la circonia, con muy prometedores resultados, es en física de radiaciones. Resultados reportados indican una alta respuesta luminiscente de la circonia después de ser expuesta a la radiación UV, gamma y rayos X; esta respuesta luminiscente puede ser cuantificada a través del fenómeno de termoluminiscencia, pudiéndose establecer una relación entre la intensidad de la señal termoluminiscente y la dosis de radiación recibida. Esta propiedad termoluminiscente (TL) de la circonia ha sido observada para las fases tetragonal y monoclínica, siendo esta última la más sensible.

La principal desventaja es su baja estabilidad o capacidad para retener la información, ya que en pocos minutos pierde una fracción importante de la información TL inducida por la radiación; esto es debido a que el espectro TL presenta picos a bajas temperaturas, con máximos a 60 y 130 °C. Por esta razón, existen trabajos donde se ha tratado de modificar su comportamiento, incorporando elementos ajenos a ésta; en este sentido, es común encontrar reportes sobre el análisis del comportamiento termoluminiscente de la circonia pura y dopada con tierras raras (Eu, Gd, Nd, Pr). Asimismo, se han utilizado otros dopantes de la circonia con la finalidad de modificar su sensibilidad y estabilidad; por ejemplo, a través de metales de transición en forma de nanopartículas (Ag, Au, Pd); reportándose una apreciable influencia de las nanopartículas en la forma e intensidad de la curva termoluminiscente cuando el material es expuesto a la radiación UV y gamma.

Este proyecto tiene como objetivo sintetizar, caracterizar y aplicar en dosimetría sistemas de circonia tetragonal y monoclínica con impurezas de nanopartículas de cobalto y europio.

El hecho de utilizar Co o Eu como dopantes es con la finalidad de modificar la profundidad de las trampas características de la circonia, haciéndolas más estables. Para cuantificar la influencia del Co o Eu en la respuesta termoluminiscente de la circonia, aparte de analizar las curvas TL inducidas por la radiación gamma y UV, se determinan parámetros tales como energía de activación, factor de frecuencia y cinética de la curva. Cabe mencionar que el uso de Co o Eu como dopantes para modificar las propiedades ópticas de un material no es algo reciente. Existen numerosos artículos donde destacan y aplican las propiedades ópticas y magnéticas de estos elementos y cómo son aprovechadas para modificar las propiedades de otros materiales.

Existen varias vías de síntesis para obtener materiales sensibles a la radiación, entre éstas se pueden mencionar el método sol-gel. La preparación por el método sol-gel de materiales semiconductores, tales como la ZrO₂ pura o con impurezas incorporadas (dopantes) ha permitido modificar sus propiedades, en particular las ópticas, haciéndose más sensible a los campos de radiación ionizante. Los resultados han mostrado que las impurezas incorporadas de manera controlada, incrementan la sensibilidad de los materiales con una respuesta lineal a la dosis de radiación absorbida; al respecto, se ha observado que cuando las impurezas incorporadas poseen tamaños controlados, principalmente en escala nanoscópica, incrementan la sensibilidad considerablemente.

Este proyecto no solo se limita el estudio sobre las propiedades dosimétricas de los materiales sintetizados, sino que como parte del estudio se ha establecido un segundo objetivo que es la caracterización microestructural de los sistemas termoluminiscentes desarrollados, ya que como se mencionó líneas arriba, las propiedades ópticas y en particular las luminiscentes, dependen de la  microestructura y cristalinidad del material, así como la forma y tamaño de los dopantes. En este caso se recurre a técnicas tales como la Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Microscopia Electrónica de Transmisión (MET), Espectrocopía por Energía Dispersiva de Rayos X (EDS), las cuales también están disponibles en el Instituto. Asimismo se hace uso de métodos de simulación molecular que permiten visualizar de manera virtual el comportamiento de cierto material en presencia de algún agente externo, tal como un campo de radiación, para lo cual el Instituto cuenta con un paquete de simulación molecular “Cerius”.

Logros Obtenidos:

En esta primera fase (de tres) se logró la síntesis de nanopartículas de cobalto y se incorporaron a la circonia observándose una atenuación de la sensibilidad termoluminiscente de la circonia debido a la presencia de Co, cuando el material es expuesto a la radiación UV. Queda observar su comportamiento cuando el material es expuesto a un campo de radiación gamma.

Asimismo se sintetizaron muestras de zirconia con diferentes concentraciones de Eu y se trataron térmicamente a 500 ºC. Se observó que la zirconia pura presenta una estructura cristalina cuya fase dominante es la tetragonal, pero conforme aumenta la presencia del Eu, se favorece la fase monoclínica. Sin embargo, no se observan diferencias en la morfología del material.

Se mostró que la radiación UV de onda corta induce una señal termoluminiscente cuya forma de la curva depende de la cantidad de Eu presente. Para un tiempo corto (60 s) entre la exposición y lectura TL, la muestra que contiene 2% en peso de Eu tiene una curva más intensa. Pero para tiempos más largos (60 min) entre la exposición y la lectura de la señal TL, la muestra con 1 % de Eu tiene la señal más intensa; este comportamiento está asociado con la capacidad que tiene cada muestra para guardar la información (fading).

Los resultados obtenidos han sido divulgados en diferentes foros nacionales como actividades que se realizan en el ININ en el área de nanomateriales termoluminiscentes, dándole proyección al Instituto, como una institución que realiza Investigaciones de frontera desarrollando nuevos materiales para aplicarlos como sensores de radiación.

Finalmente es importante mencionar que los resultados obtenidos permitieron cumplir en tiempo con los compromisos adquiridos con CONACYT, cuyo apoyo se obtuvo a través del proyecto CONACYT CB-2008-01-104540 (durante tres años).

Trabajos presentados en congresos:

1. D. Mendoza Anaya, G. Villa Sánchez, C. Gutiérrez Wing, R. Pérez Hernández, V. Rodríguez Lugo. La microscopia electrónica en el desarrollo de materiales termoluminiscentes. X Congreso Nacional de Microscopía, 22 al 26 de Mayo, Morelia Mich. Memorias en CD, pp. 1-3. Editor: Dr. Jesús Arenas Alatorre.

2. Demetrio Mendoza Anaya, Claudia Elizabeth Gutiérrez Wing, Gerardo Villa Sánchez, Gilberto Mondragón Galicia, Pedro González Martínez. Synthesis and characterization of zro2:co nanosystem for thermoluminescent application. XIX International Materials Research Congress, Cancun, Mexico, Agosto 15-19 de 2010.

3. D. Mendoza Anaya, G. Villa Sánchez, C. E. Gutiérrez Wing, M. E. Fernández García, P. R. González Martínez, E. Palma Palma. Termoluminiscencia Inducida por la Radiación UV en la Zirconia Dopada con Europio. XX Congreso Técnico Científico ININ/SUTIN, 23-25 de Noviembre de 2010, Centro Nuclear “Dr. Nabor Carrillo”.

Formación de recursos humanos (en proceso)

1. Gerardo Villa Sánchez. Desarrollo de un Sistema Nanoestructurado a base de Zirconia y Nanopartículas de Co para Aplicaciones Termoluminiscentes: Sensor de Radiación Gamma y UV. Tesis de Doctorado, Facultad de Química, UAEM (En procesos a partir de Febrero de 2010). En el transcurso del año presentó su primero y segundo  seminario de avances del doctorado (Junio y Diciembre de 2010).

Aplicaciones:

Desarrollo y optimización de métodos de síntesis de sistemas dosimétricos, que pueden ser aplicados en áreas donde sea necesario medir campos de radiación gamma. Asimismo, debido al notable incremento de la radiación UV y sus posibles efectos negativos en los seres vivos, se ha convertido en una necesidad, desarrollar sistemas capaces de detectar y cuantificar estos campos de radiación. En este sentido, uno de los sistemas más prometedores para cuantificar campos de radiación UV, se basa en la circonia pura o dopada.

La obtención de datos relevantes que permitirán entender los procesos de interacción radiación-materia y los efectos de la radiación, sobre los diferentes materiales, conducirá a un uso adecuado de los diferentes tipos de radiación ionizante.

Se continúa con la formación de recursos humanos, de tal manera que haya continuidad con este tipo de investigación relevante para el desarrollo del Instituto y del país. Finalmente, los resultados obtenidos se presentaron en diferentes foros nacionales e internacionales, con la finalidad de dar a conocer los avances obtenidos en el ININ y establecer colaboraciones que enriquezcan el trabajo desarrollado.

Vinculación:

Con el objetivo de realizar investigaciones conjuntas con otras instituciones, a través de este proyecto nos propusimos interaccionar con otros grupos de trabajo que de acuerdo a sus temáticas, sean afines a nuestras metas. En este sentido  se tuvo colaboración con investigadores del Centro Universitario de Vinculación (CUV) de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), Instituto de Física (IF-UNAM) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), Instituto Mexicano del petróleo (IMP), y por supuesto con investigadores del ININ.