Responsable: DEMETRIO MENDOZA ANAYA

Objetivos:

Sintetizar, caracterizar y aplicar en dosimetría de 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), Espectroscopia por Energía Dispersiva de Rayos X (EDS) y Difracción de rayos X (DRX)

Antecedentes:

Foto: a) Imágenes por MEB de circonia pura, b) Sistema ZrO₂:Co, c): Nanopartículas de Co sintetizadas por reducción química, d) Deconvolución en cinco picos para la curva TL experimental de la circonia pura y e) Deconvolución en 4 picos para la circonia con 2 % en peso de Eu. Ambas irradiadas con radiación UV.

La circonia (ZrO₂) es uno de los materiales cerámicos más importante a nivel industrial y científico, debido a sus buenas propiedades mecánicas, conductividad iónica y resistencia a los álcalis, al calor y a la oxidación. Se presenta en cuatro formas cristalinas: monoclínica, tetragonal, cúbica y ortorrómbica. La  es también un excelente refractante debido a su elevado punto de fusión y a su carácter aislante, eléctrico y térmico, aunque su uso está limitada por la variación de forma y volumen asociados a la transformación de fases cuando es sometido a altas temperaturas: tetragonal → monoclínico. La adición de dopantes que formen solución sólida con él , o el efecto de constricción impuesto por una matriz cerámica, evitan o retrasan la transformación. La selección adecuada del estabilizante y el control de su proporción y de las condiciones de síntesis y de sinterización, permiten obtener materiales con propiedades adecuadas para múltiples aplicaciones, como herramientas cortantes, electrocerámicas, cerámicas termomecánicas o pigmentos cerámicos.

Otra de las aplicaciones de la circonia es en física de radiaciones. Se ha observado que este óxido presenta una respuesta óptica (luminiscente) al ser expuesto a un campo de radiación ionizante (radiación gamma y beta) y no ionizante (radiación ultravioleta, UV). Además los estudios también han mostrado que esta respuesta óptica puede ser cuantificada a través de la señal termoluminiscente producida por el material después de ser expuesto a un campo de radiación de cierta intensidad.

Los fenómenos termoluminiscentes que exhiben este tipo de materiales suelen deberse a la presencia de defectos estructurales propios de la red cristalina o inducidos por la concentración de impurezas elementales ajenas a los propios de la matriz ya que estos se comportan como centros ópticos. Los resultados también indican que es posible incrementar la sensibilidad termoluminiscente de la zirconia al incorporarle en su estructura dopantes o impurezas de manera controlada, tales como Eu, Co, Ag, etc

En este sentido, las técnicas químicas llamadas “vía húmeda” (precipitación, procesos sol-gel, síntesis hidrotérmicas, entre otras) permiten la preparación de polvos cerámicos, con características especiales, que incluyen alta pureza, composición química controlada, homogeneidad química a escala atómica y tamaño de partícula nanométrico. Estos polvos, por ser muy finos y reactivos, permiten la optimización de su densidad por tratamientos térmicos de sinterizado. Cabe destacar que para obtener óxidos para aplicaciones termoluminiscentes el método sol-gel ha sido uno de los métodos más recurridos ya que no requiere algún equipo sofisticado ni altas temperaturas, además de que la incorporación de los dopantes se hace de manera controlada y homogénea.

En este proyecto se obtuvieron resultados respecto de la síntesis de circonia pura y con impurezas de Eu en concentraciones controladas (0.5, 1.0, 2.0 y 4.0 % en peso) y nanopartículas de Co (NPCo), para su aplicación como materiales termoluminiscentes con capacidad de censar campos de radiación UV y gamma. Cabe mencionar que las curva termoluminiscentes incluyen información importante asociado con el material que las produjo. Esta información consiste en temperaturas de emisión (T_max), energía de activación (e), cinética de curva (b), número de trampas por unidad de volumen presentes en el material (n_o cm^-1); información que puede ser obtenida a través de la deconvolución de las curvas termoluminiscentes. En esta etapa se determinaron estos parámetros para la circonia con impurezas de Eu.

El proyecto no solo se limitó el estudio sobre las propiedades dosimétricas de los materiales sintetizados, sino que como parte del estudio se ha estableció 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), Espectroscopia por Energía Dispersiva de Rayos X (EDS), y Difracción de Rayos X (RDX) las cuales también están disponibles en el Instituto.

Beneficios:

Desarrollo y optimización de métodos de síntesis de sistemas dosimétricos, que pueden ser aplicados en áreas donde sea necesario medir campos de radiación gamma y ultravioleta.

Logros Obtenidos:

Publicaciónes

1.            Gerardo Villa Sánchez, Demetrio Mendoza Anaya, Emmanuel Palma Palma, Claudia E. Gutiérrez Wing, Raúl Pérez Hernández, Oscar F. Olea Mejía and Federico García Santibáñez. ZrO₂ Nanopowders Doped with Eu: SEM, XRD and UV Spectroscopy Studies. MRS Symposium Proceedings 1371 39-43, 2012.

2.            Gerardo Villa Sánchez, Demetrio Mendoza Anaya, Claudia Gutiérrez-Wing, Pedro R. González Martínez and Oscar F. Olea Mejía. ZrO₂ Doped with Cobalt Nanoparticles to Detect UV Radiatiion. MRS Symposium Proceedings 1371 105-110. 2012.

3.            G Villa-Sánchez, D Mendoza-Anaya, G. Mondragon-Galicia, R Pérez-Hernández, P. R. González-Martinez and O. F. Olea-Mejía Thermoluminescence Response Induced by UV Radiation in Eu-doped Zirconia Nanopowders. Enviado a Journal of Physics D: Applied Physics.

Formación de Recursos Humanos

1. Tesis de licenciatura del C. Héctor Emmanuel Palma Palma, que obtuvo el título de Físico en la Facultad de Ciencias de la UAEMex; con el tema de “Análisis de las propiedades termoluminiscentes del sistema ZrO₂-Eu”. 27 de Abril de 2012.

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; los materiales aquí estudiados muestran excelente respuesta termoluminiscente al ser expuestos a la radiación UV.

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), con el  Dr.Efrain Rubio Rosas.

Instituto de Física (IF-UNAM) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), con el Dr. Jesús Arenas Alatorre.

Instituto Mexicano del petróleo (IMP), con el Dr. Carlos Angeles Chávez.