Reducir oxígeno y carbón aumentaría eficiencia energética de paneles solares y celulares

 Después de crear las láminas microscópicamente delgadas para conducir energía –corriente o luz–, las cuales suelen utilizarse en paneles solares y en dispositivos láser y electrónicos como el celular, se presentó un 23 % de impurezas por alta presencia de oxígeno y 19 % de carbón, datos que sirven para determinar que su rendimiento energético es bajo.

En los paneles solares la ineficiencia energética hace referencia a sus limitantes para alcanzar un rendimiento óptimo en la conversión de la luz solar en electricidad; aunque esto depende de factores como la sombra de un árbol o la antigüedad del dispositivo, también se relaciona con la composición química con la que se creó la lámina conductora de energía.

Para comparar los factores químicos que influyen en esta deficiencia, a partir de indio, galio y nitrógeno, el ingeniero físico Andrey Alessandro Rodríguez Ospina elaboró láminas con espesores imperceptibles al ojo humano (20 micrómetros, más finos que el filo de una hoja de papel) y con una dimensión de apenas 1 cm de ancho y largo, trabajo que adelantó en el Laboratorio de Nanoestructuras Semiconductoras de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales.

El indio –un metal poco abundante– es crucial en la fabricación de láminas debido a su baja fusión y maleabilidad; no suele encontrarse en forma pura en la naturaleza y a menudo se extrae como subproducto del zinc.

Por su parte el galio, presente especialmente como un subproducto de la extracción de aluminio, mejora las propiedades eléctricas por su bajo punto de fusión.

Y el nitrógeno, al formar compuestos, puede fortalecer las láminas proporcionando resistencia y estabilidad en diversas aplicaciones. Comercialmente se obtiene a través de procesos como la destilación fraccionada del aire.

Este trabajo se encuentra en la línea de investigación del profesor Álvaro Pulzara Mora, del Departamento de Física y Química de la UNAL Sede Manizales, quien, como integrante del grupo de investigación Magnetismo y Materiales Avanzados, ha realizado valiosos aportes al desarrollo de nuevas técnicas para elaborar materiales semiconductores dirigidos a distintos dispositivos tecnológicos.

Alta tecnología

Las láminas se crearon mediante pulverización catódica con un magnetrón sputtering, equipo que contiene un blanco de los elementos como indio, galio y nitrógeno (cátodos). En esta cámara de vacío se introduce gas argón para generar un plasma. Así, los iones resultantes colisionan con el blanco liberando átomos del material objetivo. Estos se depositan en un sustrato, como la lámina de cobre, formando una película delgada con propiedades específicas.

Se utilizó la técnica magnetrón sputtering con un sustrato de silicio y dos blancos hechos de indio y nitruro de galio, con una pureza del 99,9 %. “Los materiales se depositaron en una atmósfera de argón a baja presión de 5,5 × 10-2 Torr (unidad de presión) y la temperatura de las muestras se controló a 300 y 400 °C; una primera muestra con 10 escáneres en 1 minuto y 55 segundos, y otra con 20 escáneres de 3 minutos 40 segundos”, amplía el ingeniero físico. El escáner hace referencia al número de veces que se repasó para analizarlos.

“Es importante usar el argón (gas incoloro, inodoro e insípido), ya que el tamaño de su átomo es óptimo para generar la separación de las partículas, y además no contamina la muestra. El proceso puede tardar entre 30 minutos o más de dos horas, según el tamaño de la muestra”, explica el ingeniero.

En otra fase del estudio, y para entender la composición química de la superficie del material, en el Laboratorio del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Cinestav) en México, se utilizó el método por espectroscopia de fotoelectrones por rayos X (XPS), que permite ver los átomos en la superficie de un material al analizar la energía de los electrones expulsados cuando es bombardeado con rayos X.

El análisis de la muestra reveló la presencia de enlaces de indio con oxígeno, e indio y nitrógeno, y de galio con nitrógeno. Además, se observaron similitudes en la composición superficial y en los enlaces químicos entre las muestras a 300 y 400 °C, destacando la estabilidad general.

Sin embargo, se identificaron diferencias notables como el aumento del enlace nitrógeno-indio a temperaturas más elevadas. También se evidenció la importancia de considerar la temperatura en la formación de enlaces de carbono, en especial en presencia de silicio como sustrato.

“En la caracterización se determinó la presencia de más del 23 % de oxígeno y más del 19 % de carbón, que no es poco, considerados como impurezas que limitan la eficiencia de energía”. Pese a ello, no es posible eliminarlas del todo, ya que, “por más potente que sea el magnetrón, lo que se puede hacer es dejar las moléculas en su mínima expresión, máximo a un 5 o 10 %, pero no podrán desaparecer por completo”, explica el ingeniero.

Anota además que incluso para todo el proceso de elaboración, primero es necesario vaciar o liberar toda la carga de los elementos dentro del magnetrón entre 2 y 5 días para prepararlo. “Si se lograra reducir esas impurezas, por ejemplo la eficiencia de un panel solar pasaría del estándar, que es entre un 28 y 30 % de uso de energía del 100 % que recibe, a un 50 %”.

El estudio es muy importante ya que proporciona información sobre la composición de los materiales empleados en la producción industrial de semiconductores, utilizados cada vez más en nuestra cotidianidad.

 

 

Algoritmos de IA encontrarían partículas en el universo con mayor precisión

 El Big Bang, explosión que dio origen al universo, liberó una cantidad de energía tan grande, que hasta hoy los científicos siguen buscando qué otras partículas se originaron allí y cómo interactúan con las que conocemos ahora. Físicos de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) implementaron dos algoritmos de inteligencia artificial (IA) con una precisión hasta ocho veces mayor para predecir el momento en que se estarían creando nuevas partículas, lo cual ayudaría a entender mejor el bosón de Higgs, uno de los descubrimientos más importantes en este campo en los últimos años.

El bosón de Higgs fue propuesto en la década de 1960 por el físico teórico Peter Higgs y sus colaboradores, y en 2012 se confirmó su existencia de manera experimental, gracias al Gran Colisionador de Hadrones (LHC), uno de los instrumentos más potentes para identificar nuevas partículas y sus interacciones, 27 kilómetros de un anillo circular que atraviesa Suiza y Francia.

También es llamado como “partícula de la masa”, pues se encarga de que las demás partículas subatómicas tengan masa; es algo así como imaginar un gran campo invisible en el que entran y salen con cambios en su estructura base, un hallazgo que en su momento revolucionó lo que se sabía sobre estas transformaciones de energía y que demuestra la importancia de los experimentos que se llevan a cabo en el LHC para entender las fuerzas y dinámicas que rigen el universo.

En el Gran Colisionador se aceleran protones (partículas con carga positiva) a velocidades cercanas a la de la luz, y luego se hacen colisionar con energías extremadamente altas, que ni si quiera logramos llegar a concebir; estos choques son los que dan lugar a nuevas partículas y recrean las condiciones que pueden haber existido después del Big Bang. Alrededor de este lugar hay detectores que registran, analizan y predicen los eventos que ocurren allí.

El grupo de partículas FENYX-UN quiso potenciar la capacidad de los algoritmos utilizados hoy en los detectores de partículas, y para ello se valieron del “plano de Lund”, un concepto que, en palabras más sencillas, es un mapa que ayuda a dilucidar cómo las partículas comparten energía y se comportan en torno a los cambios de algunas como el bosón de Higgs.

Para la investigación, Rafael Andrei Vinasco Soler, magíster en Física de la UNAL, utilizó diversos programas de IA en los que se simularon las condiciones de lo que ocurre en el LHC para tener un panorama general de las interacciones existentes y sus propiedades; esto se construyó con datos proporcionados por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).

Al tener las condiciones decidieron poner a prueba dos algoritmos de IA para predecir si en el bosón de Higgs, y el bosón W (importante en la interacción de partículas subatómicas y procesos de altas energías), hay una mayor probabilidad de que realmente se estén creando partículas durante el experimento.

Aquí hay un concepto clave para entender lo que se encontró, y es el de “decaimiento nuclear”, que hace referencia a los cambios de energía que se presentan en los átomos y que pueden dar lugar a nuevos hallazgos; todo ocurre de manera muy rápida, y por eso los detectores necesitan nuevos algoritmos que potencien la predicción de estos eventos.

El investigador Vinasco explica que “se encontró que el desempeño del algoritmo podría ser hasta 8 veces mejor que el de los que se utilizan hoy, lo cual ayudaría a realizar mejores medidas sobre el bosón de Higgs y los decaimientos nucleares”.

“Hoy existen teorías muy ambiciosas en la física de partículas, y potenciar el LHC con la IA ayudaría a comprobarlas, ya que, con solo hallar una partícula ligada a cambios específicas de la materia, se podría cambiar el espectro de lo que conocemos sobre el universo, al igual que pasó con el bosón de Higgs”, indica el magíster en Física.

Aunque con la tecnología actual no se pueden aumentar las energías de los experimentos para encontrar fácilmente partículas nuevas, sí existe una gran oportunidad para mejorar el análisis de los datos obtenidos en los experimentos usando IA, “permitiéndonos potenciar los resultados actuales sin tener que construir nuevos experimentos, estas herramientas podrían hacer que el futuro de la física moderna vaya a pasos que nunca imaginamos”.

En esta investigación también participó el profesor Carlos Eduardo Sandoval Usme, del Departamento de Física, quien vinculó al magíster Vinasco al megaproyecto internacional ATLAS, con miles de expertos de todo el mundo que aportan al entendimiento y desarrollo de la física de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones.

Fibras de fique aumentan la resistencia de muros en las construcciones

 El fique, también conocido como cabuya, es una planta nativa de Colombia apreciada por sus fuertes fibras. Desde tiempos ancestrales se ha utilizado en la elaboración de artesanías, empaques y diversos productos industriales. Un uso reciente es como refuerzo para muros de mampostería, en los que aumenta su resistencia entre 22 y 39 % frente a los muros sin refuerzo.

Entre las principales fallas que pueden sufrir los elementos de mampostería en caso de un sismo están el “deslizamiento por cortante” y la “tracción diagonal”, que se manifiestan con grietas, desprendimientos, volcamiento y deformaciones estructurales, entre otros daños. Por eso es indispensable aplicar el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10, para que las obras sean seguras ante eventos sísmicos, y allí se especifica el reforzamiento estructural.

Ante la necesidad de tener alternativas más sostenibles y económicas para reforzar los muros de mampostería, la investigación de Heidi Stefanía Prieto Piñeros, magíster en Ingeniería - Estructuras de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), propone aplicar la técnica Textile Reinforced Mortar (TRM), una interesante opción que consiste en usar textiles de alta resistencia sobre la superficie del muro, los cuales se impregnan con mortero para crear una capa de refuerzo. En este caso se puso a prueba el tejido de fique.

Tradicionalmente los muros de mampostería se refuerzan con malla electrosoldada (compuesta de varillas de acero) y se anclan con ganchos a los muros de mampostería para generar un reforzamiento externo. El problema es que esta técnica representa altos costos en materiales, además de impacto ambiental por la cantidad de energía requerida para fabricarla.

Los resultados de las pruebas realizadas con el fique mostraron un aumento notable en la resistencia a esfuerzos de corte, con incrementos entre el 22 y 39 % según las características de la fibra y si se aplicaba en una o ambas caras del muro. En este caso la malla ligera demostró mayor adherencia al mortero que la malla densa.

Pruebas para llevar el fique a la construcción

Para estudiar el fique en estas aplicaciones primero se debe realizar un “tratamiento” para eliminar impurezas que pueden interferir con la adherencia entre la fibra y el mortero, y así también mejorar su durabilidad. Entre los métodos investigados se eligió uno con hidróxido de sodio, al que luego se le practicaron pruebas para determinar la concentración óptima en un tiempo de tratamiento de 30 minutos.

Pero como el interés final era evaluar la resistencia a corte de muros de mampostería reforzados con fique, se construyeron muretes de mampostería utilizando materiales caracterizados como cemento, arena, bloques de mampostería y las fibras naturales tratadas, entre otros.

Con el fin de conocer la calidad de los materiales y comparar los resultados obtenidos con otras investigaciones, se realizaron pruebas de caracterización para los materiales que conforman el murete de mampostería y el reforzamiento”, señala la magíster.

Se ensayaron 16 muros, algunos sin refuerzo, otros reforzados con malla ligera por una cara, otros con malla densa por una cara y malla ligera en ambas caras. A estos se les realizaron pruebas de resistencia a esfuerzos de corte mediante tracción diagonal, aplicando carga de compresión a lo largo de una de las diagonales, carga que se fue aumentando hasta provocar un daño en el elemento.

Luego se comparó el desempeño de los diferentes tipos de muros y se evaluó el impacto del refuerzo con fibras naturales. Uno de los puntos clave observados fue la capacidad de mantener la integridad estructural de los muros reforzados, incluso bajo cargas máximas. Mientras que los muros sin refuerzo tuvieron fallas frágiles, los reforzados con el fique mostraron una mayor resistencia a corte y estabilidad.

“El fique sería una alternativa sostenible y efectiva en el campo de la construcción. Con estos estudios es posible encontrar más alternativas naturales para usarlas en obras, pero también es necesario estudiar el comportamiento de los elementos reforzados ante diferentes tipos de solicitaciones, particularmente evaluar su comportamiento ante fallas que se puedan presentar fuera del plano”, concluye la magíster Prieto.