Responsable: RAUL VALENCIA ALVARADO

Objetivos:

Incrementar el grosor de la  oxidación natural del titanio puro, que es del orden de 5 a 15 nm, a grosores de 1 a 3 μm aplicando la técnica de implantación-difusión de iones de oxígeno con una fuente de plasmas de radio frecuencia inductivamente acoplada (RFIA) y adicionalmente obtener películas delgadas de TiO₂ por espurreo en la fase de anatasa sin recocimiento. El proceso se lleva a cabo polarizando negativamente el material de titanio a voltajes variables que van desde 0 V a -3000 V. Con estos potenciales es posible controlar la temperatura del sustrato de titanio más propicia para la oxidación. Preferentemente se pretende obtener la fase rutilo del óxido de titanio por ser la más estable y que se obtiene a temperaturas mayores a los 500 oC por esta técnica y para el depósito de películas en la fase de anatasa de ~300 oC. La estructura cristalina superficial del material procesado se analiza por difracción de rayos X;  la dureza Vicker con un micro-indentador; la morfología y análisis porcentual de elementos, con un microscopio electrónico de barrido. El Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares cuenta con estas técnicas de diagnóstico. Externamente, para las oxidaciones muy delgadas se cuenta con un micro-Raman y un nano-indentador.

Antecedentes:

En este proyecto se plantea el estudio del proceso de oxidación de sustratos de titanio, comercialmente puro y del depósito de películas delgadas por espurreo en plasma de radio frecuencia (RF) inductivamente acoplados.  El interés y éxito que se  ha obtenido en los estudios y avances tecnológicos de los biomateriales, justifica la enorme investigación que a nivel mundial se lleva a cabo día con día en este campo.  La ciencia de los biomateriales estudia las propiedades  físicas y biológicas de los materiales, así como su interacción con el entorno biológico. El objetivo universal de esta área de investigación es el obtener materiales naturales o sintéticos biocompatibles con el cuerpo humano. La aplicación de los biomateriales en el sector salud es extensa, algunas de las aplicaciones sobresalientes por su uso directo, son las siguientes: prótesis de válvulas cardiacas, articulaciones de cadera, implantes dentales, lentes intraoculares, entre muchas otras.  En el estado del arte de la biociencia y bioingeniería de materiales de titanio  es conveniente conocer las propiedades del titanio (mecánicas, tribológicas, biotribológicas, químicas bioquímicas, electroquímicas, térmicas, biológicas, etc.), aplicaciones en el sector salud, tecnologías de fabricación convencionales y avanzadas tales como (fundición, laminación, forjado, metalurgia de polvos, fundición al vacío, ablación por laser, espurreo (sputtering), PIII, sol-gel, spray, etc.)

Básicamente, el titanio puede ser clasificado dentro de los tipo α con una estructura cristalina hexagonal, y tipo β también de estructura cristalina cúbica de cuerpo centrado. El titanio es un metal muy reactivo, su reacción para formar capas de óxido es de microsegundos cuando es expuesto a la atmósfera, quedando dichas capas de óxido fuertemente adheridas a la superficie del titanio. La capacidad de adhesión y grosor del óxido de titanio (TiO2) sobre sustratos de titanio es función de la temperatura de oxidación. Se ha reportado que la adhesión es mayor cuando la oxidación se lleva a cabo en aire que en oxígeno puro, lo cual sugiere que el nitrógeno tiene una marcada influencia en el proceso de oxidación.

Estudios por investigadores permitieron concluir que el comportamiento del titanio en aplicaciones quirúrgicas de implantes puede ser evaluado con respecto a su biocompatibilidad y resistencia a las especies corrosivas involucradas en los fluidos corporales del cuerpo humano, y que este proceso se puede considerar como si se tratara de un electrolito en una reacción electroquímica. Se ha documentado ampliamente, que la resistencia a la corrosión del titanio se debe a la formación de una capa densa fuertemente adherida llamada “capa pasiva”, cuyo grosor es de 2 a 7 nm.

A la fecha existe una amplia variedad de técnicas para modificar (mejorar) las propiedades tribológicas superficiales de los biomateriales de titanio. Dentro de todas las técnicas, el proceso de modificación superficial por plasmas es el que mejores resultados ha reportado.

Otras de las aplicaciones del dióxido de titanio se dan en óptica: en la fase cristalina de anatasa depositada por la técnica de espurreo sobre sustratos de vidrio; aplicando la técnica de evaporación por haces de electrones; propiedades fotocatalíticas; recubrimientos para autolimpieza empleando la técnica de sol-gel, entre otras.

Trabajo reciente realizado por el grupo proponente del proyecto

En el Laboratorio de Física de Plasmas del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) se han desarrollado trabajos de investigación científica y de desarrollo tecnológico relacionados con aspectos teóricos, generación y aplicación de plasmas durante poco más de tres décadas.  Los conocimientos adquiridos en la generación de fuentes de plasmas se han enfocado recientemente hacia el tratamiento de materiales por plasmas, con resultados reportados de acuerdo a su carácter multidisciplinario, a saber: sistemas electrónicos para generación y manipulación de descargas eléctricas, desarrollo de sistemas para aplicaciones ambientales y médicas, tratamiento de materiales, y técnicas de caracterización de plasmas.  Estos desarrollos han permitido además la formación de recursos humanos de alto nivel, provenientes de diversas instituciones de educación superior.

En este proyecto se aborda el estudio de la oxidación del titanio a través del proceso de implantación y difusión de iones de oxígeno en plasmas inductivamente acoplados a un generador de RF, con polarizaciones de las muestras de titanio de hasta -3000 volts de corriente directa, así como el depósito de películas delgadas por el espurreo que se genera al acelerar los iones del plasma hacia la muestra de titanio. Se llevan a cabo oxidaciones a diferentes presiones de trabajo y potencias de RF mayores a 500 W. Se montará un espectrógrafo cuyo detector consiste de una cámara de carga acoplada intensificada (CCDI) para caracterizar las líneas de emisión con el fin de entender mejor los fenómenos que ocurren durante el proceso de oxidación, y adicionalmente se montará un espectrómetro de masas con el fin de analizar los productos de reacción generados por dicho proceso.

Beneficios:

La investigación teórica y experimental del proceso de oxidación de titanio en las fases de rutilo, por implantación y difusión de iones de oxígeno, así como el depósito de películas delgadas de óxido de titanio por espurreo en las fases de anatasa, es de interés del sector salud, tanto en el ámbito nacional como internacional. Los resultados obtenidos en el ININ, reportados en congresos y revistas internacionales generarán los conocimientos requeridos para instalar en el Instituto la infraestructura necesaria para contribuir exitosamente en esta área. Además, el proyecto cuenta con financiamiento de CONACyT.

Se espera también contribuir a la formación de recursos humanos en licenciatura, maestría y doctorado, así como difundir los resultados obtenidos a nivel nacional e internacional.

Logros Obtenidos:

Las muestras de titanio y los sustratos de silicio y vidrio fueron preparados con las técnicas de limpieza recomendadas para evitar impurezas en las superficies tratadas, así como en las películas depositadas por espurreo de las muestras de titanio. El proceso de oxidación de titanio se llevó a cabo en un plasma de argón/oxígeno en una razón de 80/20, el plasma se generó con una fuente de radio frecuencia a 500 W en la frecuencia de 12.56 MHz, y a una presión de trabajo de 5x10-2 mbar, previo a una presión base menor a 5x10-4 mbar. Las muestras de titanio fueron polarizadas de 0 a -3 kV de corriente directa, lo cual facilitó tanto la implantación y difusión de iones de oxígeno en la muestra formando un dióxido de titanio (TiO2) en la fase de rutilo, como el espurreo de la misma nuestra de titanio. El material espurreado se mezcló con el oxígeno formando películas de dióxido de titanio sobre los sustratos de silicio y vidrio en la fase de anatasa. Los resultados obtenidos fueron caracterizados con:

1. Difracción de rayos X. Con esta técnica, se determinaron las fases cristalinas del rutilo en la muestra de titanio implantada y la fase de anatasa en las películas depositadas sobre los sustratos de silicio y vidrio.

2. Microscopía electrónica de barrido. Con esta técnica, se observó la morfología superficial de las muestras de titanio implantadas así como de las películas depositadas sobre los sustratos, el grosor de las películas y también se determinaron los porcentajes atómicos de los elementos de dichas películas.

3. Microscopía Raman. Con esta técnica se corroboraron las fases cristalinas determinadas por la técnica de Difracción de Rayos X.

4. Espectroscopía fotónica de rayos X. Con esta técnica se corroboró la composición elemental de las películas de acuerdo a las energías de enlace del Ti4+ en las bandas de energía Ti 2p3/2 y Ti 2p1/2 así como el O 1s.

Publicaciones

Artículos publicados en revistas extranjeras

1. R. Valencia-Alvarado*, R. López-Callejas, S. R. Barocio, A. Mercado-Cabrera, R. Peña-Eguiluz, A. E. Muñoz-Castro, “Titanium Oxidation by RF Inductively Coupled Plasma”,Int. J. Nanomanufacturing, Vol. 5, Nos. ½, 2010, p. 62-68. (feb.10, 2010).

2. R. Valencia-Alvarado, R. López-Callejas, S. R. Barocio, A. Mercado-Cabrera,R. Peña-Eguiluz, A. E. Muñoz-Castro, A. de la Piedad-Beneitez, J.M. de la Rosa-Vázquez, “TiO2 films in the rutile and anatase phases produced by inductively coupled rf plasmas”. Surface and Coatings. 204 (2010) 3078-3081.

Presentaciones en congresos internacionales:

1.- A. de la Piedad-Beneitez, R. Valencia-Alvarado, R. López-Callejas, I. A. Rojas-Olmedo, R. Peña-Eguiluz, A. Mercado-Cabrera, S. R. Barocio A. E. Muñoz-Castro and B. G. Rodríguez-Méndez. “Optimised AISI 304 Steel Nitriding in Inductive RF N2-H2 Plasmas”, 11th European Vacuum Conference, organizado por la Asociación Española del Vacío y sus Aplicaciones, del 20 al 24 de septiembre de 2010 en la Universidad de Salamanca, España.

2.- R. Valencia-Alvarado, A. de la Piedad-Beneitez, R. López-Callejas1, S. R. Barocio, A. Mercado-Cabrera, R. Peña-Eguiluz, A. E. Muñoz-Castro and J.M. de la Rosa-Vázquez, Con el trabajo “Titanium Oxidation by RF Inductively Coupled Plasma”, Organizado por la Universidad Católica de Chile, del 8 al 13 de agosto de 2010, Santiago de Chile, Chile.

Capítulo en libro

Se tuvo colaboración en el libro “Contribuciones del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares al avance de la ciencia y la tecnología en México. Edición conmemorativa 2010”, registro ISBN: 978-607-8120-00-0, con el capítulo “Aplicaciones de los plasmas en la modificación de materiales, en medio ambiente y en medicina”.

Tesis de licenciatura

El C. Ricardo Carrasco González obtuvo el grado de Ingeniero con el trabajo “Instrumentación Electrónica para la Generación de Pulsos de Alto Voltaje”, en el Instituto Tecnológico de Toluca. Asesor Externo: Dr. Raúl Valencia Alvarado, septiembre de 2010.

Otras actividades

1. Asesoría al grupo de Costa Rica encabezado por el Dr. Vargas-Blanco en relación con la generación de plasmas empleando fuentes de radio frecuencia, técnicas de diagnóstico con sondas eléctricas óptica de emisión, espectrometría de masas usando analizadores de gases residuales, así como espectroscopia óptica de emisión.

2. Miembro del grupo que participa en el Programa Nacional de Fusión, integrado principalmente por la Universidad Nacional Autónoma de México, el Instituto Politécnico Nacional, la Universidad Autónoma Metropolitana y el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares. El objetivo de este programa es mantener activa el área de la física de plasmas mediante un proyecto multi-institucional.

Vinculación:

Se tiene colaboración en este proyecto con el Instituto Tecnológico de Toluca