Esta semana, la Dra. Anastasiia Mikhalchan presentará investigaciones de nuestro grupo de Nanocompuestos Multifuncionales (MNG) sobre la síntesis en fase gaseosa y las propiedades de materiales unidimensionales, los cuales podrían utilizarse en condiciones de mayor luminosidad para la instrumentación de haces y el control de calidad, en el Taller de Materiales de Baja Densidad para Instrumentación de Haces en CERN Meyrin (Suiza) – Prévessin (Francia). La Dra. Mikhalchan también formará parte del Comité Científico del evento.
Pregunta: En primer lugar, Anastasiia, ¿puedes contarnos un poco sobre lo que vas a presentar en el taller de esta semana?
Respuesta: ¡Por supuesto! Voy a ofrecer una visión general del proceso de síntesis de CVD con catalizador flotante que utilizamos en el grupo MNG para producir materiales nanoestructurados de alto rendimiento, como fibras y nanotextiles de nanotubos de carbono. Como se ha publicado recientemente en nuestro artículo de revisión en Nanoscale, esta ruta de síntesis ofrece ventajas en cuanto a escalabilidad y tasas de crecimiento ultrarrápidas, y es universal para la síntesis de nanomateriales de diferentes químicas, no solo de carbono. También presentaré un resumen de las últimas propiedades mecánicas y eléctricas que hemos logrado en nuestro grupo, y destacaré la auténtica flexibilidad y resistencia de dichos materiales, que están determinadas por su estructura de red y alineación.
Pregunta: El uso del término «materiales 1D» en la descripción de tu presentación llamó mi atención. Creo que la mayoría de las personas están familiarizadas con objetos o materiales en 2 o 3D, pero 1D me suena extraño. ¿Podrías darme una breve explicación de lo que quieres decir con materiales 1D en relación a tu investigación?
Respuesta: Con «1D», nos referimos a los nanotubos o nanohilos, que son nanopartículas con una relación de aspecto alta, lo que significa que su longitud puede ser órdenes de magnitud mayor que su diámetro. Por ejemplo, los nanotubos de carbono (CNTs), nanohilos de silicio o carburo de silicio sintetizados por nuestro grupo. Estos materiales se sintetizan mediante reacciones en fase gaseosa y se ensamblan directamente en redes tridimensionales macroscópicas, que recolectamos en forma de fibras con diferentes diámetros y composición, o en forma de textiles con diferentes densidades superficiales, desde tejidos casi transparentes hasta telas gruesas adecuadas para composites estructurales, baterías y otros dispositivos electrónicos.
Pregunta: Según entiendo, estos materiales podrían ser utilizados por CERN en condiciones de mayor luminosidad para la instrumentación para centrar el haz del acelerador de partículas y el control de calidad. ¿Cuál es el impacto real de esto en términos de llevar a cabo investigaciones científicas?
Respuesta: Se puede imaginar que el control de calidad y la precisión de los haces de aceleradores son de suma importancia, en particular, en CERN, que es el acelerador de partículas más grande del mundo gracias al Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de 27 kilómetros de circunferencia ubicado cerca de Ginebra, Suiza. Entre otras tareas, el monitoreo del perfil transversal del haz es particularmente desafiante, especialmente en la actualidad, cuando los físicos desean que el haz sea cada vez más pequeño e intenso. Recientemente, muchos proyectos en CERN se han centrado en el desafío de aumentar significativamente la energía e intensidad del haz, al mismo tiempo que se reduce su tamaño, por ejemplo, la línea experimental HiRadMat (High Radiation for Material) con la posibilidad de irradiar blancos con haces de protones a 440 GeV/c. Los científicos que apoyan la infraestructura del haz utilizan dispositivos especiales llamados escáneres de alambre para medir los perfiles transversales del haz, moviendo un alambre delgado a través del haz.
Pregunta: ¿Y cómo se relaciona esa necesidad con tu investigación?
Respuesta: El problema principal aquí es que, desde la década de 1980, los alambres (fibras muy delgadas) utilizados han sido fibra de carbono convencional o tungsteno recubierto de oro, y esos materiales casi han alcanzado sus límites para las elevadas energías de haz que CERN está buscando. Por lo tanto, la idea de CERN es probar otros materiales novedosos, como las fibras de nanotubos de carbono que producimos en IMDEA Materiales, como la nueva generación de escáneres de alambre rápidos. Hemos comenzado una colaboración con la división de Instrumentos de Haz en CERN hace algún tiempo para probar nuestras fibras de nanotubos de carbono, y esperamos fortalecer nuestra colaboración en el futuro próximo. CERN cuenta con varios miles de instrumentos de haz, por lo que garantizar su calidad es muy importante para todos los proyectos de investigación en curso en todo el complejo de aceleradores de CERN. También nos complace mucho contribuir al desarrollo de la nueva generación de materiales que podrían permitir realizar experimentos aún más complejos en CERN.
¿Cómo encaja este proyecto en particular dentro del marco de investigación más amplio del grupo MNG en IMDEA Materiales?
Respuesta: Este proyecto se ajusta muy bien a la dirección de investigación de nuestro grupo MNG (Multifunctional Nanocomposites Group) en IMDEA Materiales. Por ejemplo, tenemos experiencia en la fabricación de fibras de nanotubos de carbono (CNT) con diferentes composiciones moleculares, conocimiento de su estructura y posibilidades para la caracterización en profundidad de las fibras de CNT antes y después de la irradiación del haz. Esto es lo que hicimos en colaboración con CERN el año pasado, cuando utilizaron por primera vez las fibras producidas en IMDEA Materiales en equipos de escaneo. Los alambres o fibras en los escáneres están sujetos a altas tensiones mecánicas, térmicas y vibraciones durante el escaneo, lo que provoca la falla de la fibra. Las fibras de CNTs muestran una tenacidad intrínseca y tolerancia al daño mucho mayores que las fibras de carbono convencionales, que son frágiles debido a su estructura cristalina. Por lo tanto, creemos que nuestros materiales podrían ofrecer algunas ventajas para los instrumentos de haz. Dicho esto, esta es un área de investigación totalmente nueva y muchos aspectos son aún desconocidos, como la estructura óptima de la fibra, el empaquetamiento de los tubos, su alineación, etc., todos los cuales podrían ser críticos para estas aplicaciones.
Pregunta: Finalmente, Anastasiia, este taller está siendo organizado por el Grupo de Instrumentación de Haz de CERN, responsable de diseñar, construir y mantener los instrumentos que permiten la observación de los haces de partículas y la medición de parámetros relacionados para todo CERN. ¿Cómo te sientes al ser invitada a formar parte de un evento científico tan increíble en CERN?
Respuesta: Es un gran placer y verdaderamente un honor para mí ser invitada y poder asistir a este evento en CERN. Espero con ansias presentar nuestro trabajo y también conocer a colegas que trabajan directamente «en el corazón» de CERN y que buscan superar nuevos desafíos desde el punto de vista de la ingeniería de aceleradores, instrumentación de haces, análisis termofísico, mecánico, y simulaciones.
