Responsable: RAUL VALENCIA ALVARADO

Objetivos:

1.- Incrementar el grosor de la oxidación natural del titanio puro de 5-15 nanómetros, a 1-3 micrómetros, aplicando la técnica de implantación-difusión de iones de oxígeno con una fuente de plasmas de Radio Frecuencia Inductivamente Acoplada (RFIA).

2.- Obtener películas delgadas de TiO2 por espurreo (sputtering) en la fase de anatasa sin recocimiento.

Antecedentes:

El presente proyecto es una continuación de proyectos anteriores llevados con éxito en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares con el fin de seguir contribuyendo en un área de interés internacional como es el de la salud y el medio ambiente. En este proyecto se llevó a cabo el estudio y la experimentación del proceso de oxidación de sustratos de titanio comercialmente puro y simultáneamente el 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, eliminador de células cancerígenas, entre muchas otras. En cuanto a las aplicaciones que tiene el TiO2 como material fotocatalítico son entre muchas más las siguientes: purificación de aire, de agua, como material antibacterial, ante viral, etc..  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.). 

Logros Obtenidos:

De acuerdo a los objetivos y metas propuestos en el proyecto, los logros obtenidos durante 2011 son los siguientes:

Las muestras de dióxido titanio (TiO₂) fueron exitosamente implantadas por iones de oxígeno a potenciales de menos 3000 V de Corriente Directa en la fase de rutilo y las películas delgadas por espurreo de las muestras de titanio (generadas por la acción de iones de argón) sobre los sustratos de silicio y vidrio alcanzaron la razón de estequiométrica de 2 de oxígeno por 1 de titanio por espurreo de las muestras de titanio en la fase de anatasa. 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 al proceso de oxidación, la presión base fue menor a 5x10^-6 mbar empleando una bomba turbomolecular.

Los resultados obtenidos en los procesos de oxidación de titanio dieron lugar a dos publicaciones en revistas internacionales.

1. Titanium oxidation by rf inductively coupled plasma, R. Valencia-Alvarado, A. de la Piedad-Beneitez, R. López-Callejas, S. R. Barocio, A. Mercado-Cabrera, R. Peña-Eguiluz, A. E. Muñoz-Castro, B. G. Rodríguez-Méndez, and J. M. de la Rosa-Vázquez, Journal of Physics, IOP, Aceptado 27 de abril de 2011.
2. Optimized AISI 304 steel nitriding in inductive RF N2-H2 plasmas, 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, B.G. Rodríguez-Méndez,Vacuum 85 (2011) 1149-1151,Publicado junio de 2011.

Y a una presentación en congreso internacional.

Se presentó el siguiente trabajo en el 14 th Latin American Workshop on Plasma Physics (LAWPP 2011) en la Ciudad del MAR DEL plata, Argentina del 20 al 25 de Noviembre de 2011.

Thin TiO₂ Films Deposited by Implantation and Sputtering in RF Inductively Coupled Plasmas, autores:  R. Valencia-Alvarado, A. de la Piedad-Beneitez, R. López-Callejas, S. R. Barocio, A. Mercado-Cabrera, R. Peña-Eguiluz, A. E. Muñoz-Castro, A. E. Muñoz-Castro, B. G. Rodriguez-Méndez, J. M. de la Rosa-Vázquez.

Aplicaciones:

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, son 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 ININ la infraestructura necesaria para contribuir exitosamente en esta área.

El uso o aplicación de los dióxidos de titanio TiO₂ en el sector salud o ambiental contribuye en la solución de problemas actuales, como ejemplo solo se definirán dos de los múltiples beneficios que el TiO₂ aporta a la humanidad: En la purificación del agua, contribuye a la reducción o eliminación de enfermedades o muertes que el agua contaminada causa a miles de personas diariamente en el mundo, en el sector salud, concretamente en odontología, hay un gran beneficio hacia los usuarios en implantaciones dentales al alargar el tiempo de duración de los implantes tratados con TiO₂.

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

Vinculación:

Este proyecto tiene una vinculación directa en el sector salud, ya que al aumentar el grosor natural de la oxidación del titanio, éste incrementa su tiempo de duración en el cuerpo humano, antes de ser atacado, es decir erosionado por la respuesta natural de rechazo, en otras palabras, tanto las prótesis como los implantes incrementan su tiempo de vida en los seres humanos. Por otro lado, al ser un material fotocatalítico resuelve muchos problemas relacionados en la purificación de aguas contaminadas, en la esterilización de bacterias en recintos hospitalarios y en la purificación del aires contaminados