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The Rare-Earth Elements— Vital to Modern Technologies and Lifestyles

publicado a la‎(s)‎ 27 may. 2016 9:20 por José Malaguera   [ actualizado el 27 may. 2016 9:40 ]



USGS Mineral Resources Program

Until recently, the rare-earth elements (REEs) were familiar to a relatively small number of people, such as chemists, geologists, specialized materials scientists, and engineers. In the 21st century, the REEs have gained visibility through many media outlets because (1) the public has recognized the critical, specialized properties that REEs contribute to modern technology, as well as (2) China’s dominance in production and supply of the REEs and (3) international dependence on China for the majority of the world’s REE supply.

Since the late 1990s, China has provided 85 – 95 percent of the world’s REEs. In 2010, China announced their intention to reduce REE exports. During this timeframe, REE use increased substantially. REEs are used as components in high technology devices, including smart phones, digital cameras, computer hard disks, fluorescent and light-emitting-diode (LED) lights, flat screen televisions, computer monitors, and electronic displays. Large quantities of some REEs are used in clean energy and defense technologies. Because of the many important uses of REEs, nations dependent on new technologies, such as Japan, the United States, and members of the European Union, reacted with great concern to China’s intent to reduce its REE exports. Consequently, exploration activities intent on discovering economic deposits of REEs and bringing them into production have increased.

What are the Rare-Earth Elements?

The REE group is composed of 15 elements that range in atomic number from 57 (lanthanum) to 71 (lutetium) on the periodic table of elements, and are officially referred to as the “lanthanoids,” although they are commonly referred to as the “lanthanides.” The rare-earth element promethium (atomic number 61) is not included in discussions of REE deposits because the element is rare and unstable in nature. Yttrium (atomic number 39) is commonly regarded as an REE because of its chemical and physical similarities and affinities with the lanthanoids, and yttrium typically occurs in the same deposits as REEs. Scandium (atomic number 21) is chemically similar to, and thus sometimes included with, the REEs, but it does not occur in economic concentrations in the same geological settings as the lanthanoids and yttrium and will not be discussed further.

Traditionally, the REEs are divided into two groups on the basis of atomic weight: (1) the light REEs are lanthanum through gadolinium (atomic numbers 57 through 64); and (2) the heavy REEs comprise terbium through lutetium (atomic numbers 65 through 71). [Note: Some authorities include europium and gadolinium within the group of heavy REEs.] Yttrium, although light (atomic number 39), is included with the heavy REE group because of its similar chemical and physical properties.

Most REEs are not as rare as the group’s name suggests. They were named “rare-earth elements” because most were identified during the 18th and 19th centuries as “earths” (originally defined as materials that could not be changed further by heat) and in comparison to other “earths,” such as lime or magnesia, they were relatively rare. Cerium is the most abundant REE, and is more common in the Earth’s crust than copper or lead. All of the REEs, except promethium, are more abundant on average in the Earth’s crust than silver, gold, or platinum. However, concentrated and economically minable deposits of REEs are unusual.

As part of a broad mission to conduct research and provide information on nonfuel mineral resources, the U.S. Geological Survey (USGS) supports science to understand the following:

Where and how concentrations of rare- earth elements form in the Earth’s crust;
Where undiscovered/undeveloped resources of rare-earth elements may occur;
Trends in the supply and demand of rare-earth elements domestically and internationally;
How undisturbed and mined rare-earth deposits interact with the environment.

List of the rare-earth elements found in natural

Element

Symbol

Atomic

Crustal

Light REEs

Lanthanum

La

57

39

Cerium

Ce

58

66.5

Praseodymium

Pr

59

9.2

Neodymium

Nd

60

41.5

Samarium

Sm

62

7.05

Europium

Eu

63

2.0

Gadolinium

Gd

64

6.2

Heavy REEs

Terbium

Tb

65

1.2

Dysprosium

Dy

66

5.2

Holmium

Ho

67

1.3

Erbium

Er

68

3.5

Thulium

Tm

69

0.52

Ytterbium

Yb

70

3.2

Lutetium

Lu

71

0.8

Yttrium

Y

39

33


How Do We Use the Rare-Earth Elements?

Due to their unusual physical and chemical properties, such as unique magnetic and optical properties, REEs have diverse applications that touch many aspects of modern life and culture. Specific REEs are used individually or in combination to make phosphors—substances that emit luminescence—for many types of ray tubes and flat panel displays, in screens that range in size from smart phone displays to stadium scoreboards. Some REEs are used in fluorescent and LED lighting. Yttrium, europium, and terbium phosphors are the red-green-blue phosphors used in many light bulbs, panels, and televisions.


The glass industry is the largest consumer of REE raw materials, using them for glass polishing and as additives that provide color and special optical properties. Lanthanum makes up as much as 50 percent of digital camera lenses, including cell phone cameras.

Lanthanum-based catalysts are used to refine petroleum. Cerium-based catalysts are used in automotive catalytic converters.


Magnets that employ REEs are rapidly growing in application. Neodymium-iron-boron magnets are the strongest magnets known, useful when space and weight are limiting factors. Rare-earth magnets are used in computer hard disks and CD–ROM and DVD disk drives. The spindle of a disk drive attains high stability in its spinning motion when driven by a rare-earth magnet. These magnets are also used in a variety of conventional automotive subsystems, such as power steering, electric windows, power seats, and audio speakers.


Nickel-metal hydride batteries are built with lanthanum-based alloys as anodes. These battery types, when used in hybrid electric cars, contain significant amounts of lanthanum, requiring as much as 10 to 15 kilograms per electric vehicle.


Cerium, lanthanum, neodymium, and praseodymium, commonly in the form of a mixed oxide known as mischmetal, are used in steel making to remove impurities and in the production of special alloys.

The end use applications of REEs are detailed in USGS Scientific Investigations Report 2011–5094 (available at http://pubs.usgs.gov/sir/2011/5094/ ).


Where Do Rare-Earth Elements Come From?

The REEs are commonly found together in the Earth’s crust because they share a trivalent charge (+3) and similar ionic radii. In nature, REEs do not exist individually, like gold or copper often do, but instead occur in minerals as either minor or major constituents. In general, these minerals tend to be dominated by either light or heavy REEs, although each can be present. In igneous (magmatic) systems, the large sizes of the REE ions impede their ability to fit into the structure of common rock-forming minerals. As a result, when common silicate minerals crystallize — such as feldspars, pyroxenes, olivine, and amphiboles— most REEs tend to remain in the coexisting magma. Successive generations of this process increase REE concentrations in the residual magma until individual REE minerals crystalize. The REEs can substitute for one another in crystal structures, and multiple REEs typically occur within a single mineral.

REEs generally occur in uncommon geologic rock types and settings. As mentioned earlier, REEs are common in the Earth’s crust but rarely in economic concentrations. Economic REE deposits occur primarily in four geologic environments: carbonatites, alkaline igneous systems, ion-absorption clay deposits, and monazite-xenotime-bearing placer deposits. Even within these deposit types, minable (economic) concentrations of REEs are rare. For example, globally there are more than 500 known carbonatites but only 6 are currently mined for REEs.

Other deposit types can contain minor amounts of REEs but have not been important REE sources thus far. One example is the giant Olympic Dam iron oxide-copper-uranium-gold-silver deposit in Australia, the world’s largest single uranium deposit, which also contains REE enrichments. So far it has not proven economical to recover REEs from this deposit.

Carbonatites host the world’s largest REE deposits and are typically most enriched in the light REEs. Carbonatites are unusual igneous rocks derived from carbonate-rich magmas, in contrast to the more common silica-rich magmas. Carbonatites are igneous rocks with more than 50 percent carbonate minerals, usually calcite and dolomite. As a group, carbonatites have the highest REE concentrations of all igneous rocks. Carbonatites have been the world’s main source for light REEs since the 1960s. Currently, REEs are mined from large carbonatite bodies in California (Mountain Pass) and in China (Bayan Obo, Maoniuping, Daluxiang, and Weishan). The Mount Weld mine in Western Australia, Australia, produces REEs from a weathered zone that overlies a carbonatite.

Alkaline igneous rocks comprise a group of uncommon igneous rock types generally deficient in silica, relative to sodium, potassium, and calcium. Many current (2014) advanced exploration projects are focused on large bodies of alkaline igneous rocks, with some finding significant REE concentrations (0.3 –2.6 percent total REE oxide). These deposit types are sought because they are often enriched in the important heavy REEs.

Ion-adsorption clay deposits in southern China are the world’s primary source of heavy REEs. This deposit type is informally referred to as “south China clays.” Thick clay accumulations that host low concentrations of REEs (from about 0.04 to 0.25 percent total REE oxides) form in tropical regions with moderate to high rainfall through successive processes:

1.
REEs are leached by groundwater from granite bedrock;
2.
thick zones of clay-rich soils develop above the granites; and
3.
mobilized REEs become weakly fixed (by ion-adsorption) onto clays in the soils.

Despite their low concentrations in REEs, the clay deposits of south China are economic because the REEs can be easily extracted from the clays with weak acids, the deposits are often enriched in high-value heavy REEs, and labor costs are low.

A pilot project in Jamaica is evaluating the recovery of REEs from tailings of red mud produced by bauxite (aluminum ore) mining, which could be considered a form of ion-adsorption clay deposit.

Monazite-xenotime-bearing placer deposits were important REE sources prior to the mid-1960s. From some modern and ancient beach deposits, the REE-thorium-phosphate mineral monazite [(REEs,Th)PO4  )] can be recovered as a by-product during the extraction of the targeted heavy minerals, ilmenite (FeTiO3 ), rutile (TiO2 ), and zircon (ZrSiO4 ). Ilmenite and rutile —the principal minerals of value as in these deposits—are mechanically separated from sand-silt deposits. Monazite can be recovered simultaneously if desired. The separated ilmenite and rutile are then chemically processed to remove titanium; ilmenite and rutile are the primary source of the titanium used in paint pigments. Monazite is recovered as a byproduct mineral from beach sands along the southern coasts of India, where it is sought as a source of light REEs and thorium. The recovered thorium is stockpiled for future use as fuel material in thorium-based nuclear power, which is under development. Xenotime (YPO4 ), a less common mineral, has been recovered as a source of yttrium and other REEs as a byproduct of mining tin placers.

Worldwide Supply and Demand for Rare-Earth Elements

As noted earlier, in recent years Chinese production has accounted for about 95 percent of the REE global market. Citing a need to retain their limited REE resources for domestic requirements and concerns for environmental effects of mining, China has restricted the supply of REEs through quotas, licenses, and taxes. As a result, the REE industry outside of China increased REE stockpiling, explored for deposits in many locations, and promoted new efforts to conserve, recycle, and find substitutes for REEs. New mine production has begun in Australia (Mount Weld) and the United States (Mountain Pass, California).

In recent years, expert panels convened by research institutes and government agencies highlighted specific REEs as raw materials critical to evolving technologies, such as clean-energy applications, high-tech military components, and electronics (Long and others, 2010). These reports suggest that a high potential exists for disruptions in REE supplies. As a result, several expert panel analyses rank REEs high on the “criticality” factor of raw materials, meaning they are of high technological and economic importance and have high supply-side risk (National Research Council, 2008). Panels and agencies that assessed the criticality of REEs and other raw materials include the National Research Council, U.S. Department of Energy, European Commission, American Physical Society (APS) and Materials Research Society (MRS), and the Resnick Institute.

Worldwide explorations for economic deposits of REEs and efforts to bring them into production have increased substantially since 2000. More than 400 rare-earth projects were in progress during 2012, including many projects in advanced stages of exploration, meaning that the deposit sizes and REE concentrations were announced based on detailed drilling. One important aspect in the development of a property for REE mining is the cost and complexity of processing the REE ores. Recovery of REEs can be complex because they occur in minerals as a group of similar elements, and at many deposits the REEs are hosted within more than one mineral. Not only do REE-rich minerals need to be concentrated, but the actual elements must be separated from each other, usually as oxide compounds (for example, lanthanum oxide). The success and timeliness of rare-earth mining projects, and the rare-earth elements industry in general, is difficult to predict and will be continuously monitored and studied by the USGS.

How Do We Ensure Adequate Supplies of Rare-Earth Elements for the Future?

Global REE resources are estimated to be 110 million metric tons of rare-earth oxide, which primarily occur, in descending order, in China, Russia, the United States, India, and Australia. Exploration for additional REE deposits is ongoing; therefore, the world’s known in-the-ground resources (endowment) of REEs are likely to increase. Despite many known REE deposits, the global supply of REEs is limited by the cost and complexity of exploring REE deposits and developing REE mines, including REE extraction and separation facilities. These factors are discussed in USGS Scientific Investigations Report 2010 –5220 (available at http://pubs.usgs.gov/sir/2010/5220/ ).

In addition to bringing more REE deposits into production, other methods may help offset REE supply restrictions. Examples include new efforts to recycle REEs, research to find substitute materials for REEs, and efforts to recover REEs as coproducts of mineral deposits. These efforts may eventually offset some of the demand for REEs.

References

Lide, D.R., ed., 2004, Abundance of elements in the Earth’s crust and in the sea, in sec. 14 of CRC handbook of physics and chemistry— A ready-reference book of chemical and physical data (85th edition): Boca Raton, Fla., CRC Press, p. 17 [table].

Long, K.R., Van Gosen, B.S., Foley, N.K., and Cordier, Daniel, 2010, The principal rare earth elements deposits of the United States—A summary of domestic deposits and a global perspective: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2010 –5220, 96 p. [Also available at http://pubs.usgs.gov/sir/2010/5220/ .]

National Research Council, 2008, Minerals, critical minerals, and the U.S. economy: Washington, D.C., National Academies Press, 264 p. [Also available athttp://www.nap.edu/openbook.php?record_id=12034 .]

For More Information

On production and consumption of rare-earth elements: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/rare_earths/

On historical statistics of rare-earth elements: http://minerals.usgs.gov/ds/2005/140/

On end use and recycling of rare-earth elements: http://pubs.usgs.gov/sir/2011/5094/

The USGS Mineral Resources Program is the sole Federal provider of research and information on rare-earth elements and other nonfuel mineral resources. For more information, please contact:

Mineral Resources  Program Coordinator Telephone: 703-648-6100

U.S. Geological Survey  Fax: 703-648-6057

913 National Center  E-mail: minerals@usgs.gov

Reston, VA 20192  Home page: http://minerals.usgs.gov

Text prepared by Bradley S. Van Gosen, Philip L. Verplanck, Keith R. Long, Joseph Gambogi, and Robert R. Seal II.

Did you know....

Rare-earth magnets are stronger per unit weight and volume than any other magnet type. Clean energy technologies, such as large wind turbines and electric vehicles, use rare-earth permanent magnets (meaning permanently magnetized) that usually contain four REEs: praseodymium, neodymium, samarium, and dysprosium.

Rare-earth elements (REEs) are used in the components of many devices used daily in our modern society, such as: the screens of smart phones, computers, and flat panel televisions; the motors of computer drives; batteries of hybrid and electric cars; and new generation light bulbs. Lanthanum-based catalysts are employed in petroleum refining. Large wind turbines use generators that contain strong permanent magnets composed of neodymium-iron-boron. Photographs used with permission from PHOTOS.com.

The mineral bastnäsite is an important source of the REEs. Bastnäsite, a REE-carbonate-fluorine mineral, is the primary ore mineral in the world’s largest REE deposits. Photograph courtesy of Rob Lavinsky, www.iRocks.com.

The mineral monazite is an important source of the REEs. Monazite, a REE-thorium-phosphate mineral, has been separated from some ancient and modern beach sands as a coproduct to the recovery of economic titanium (Ti) minerals. Photograph courtesy of www.geology.com.

The Mountain Pass mine of Molycorp, Inc., southeastern California, is the only active producer of REEs in the United States (2014). The ore body is a carbonatite intrusion, thought to be the largest REE resource in the United States.

Did you know....

In the 1940s, as part of the Manhattan Project that created the nuclear bomb, Frank Spedding and others in the United States developed chemical ion exchange procedures that could separate and purify individual REEs. This method was first used to separate plutonium-239 and neptunium from uranium, thorium, and actinium in materials generated by nuclear reactors.

ISSN 2327– 6932 (online)

http://dx.doi.org/10.3133/fs20143 078

Macromolecular Quantitative Comparison of the Antimicrobial Efficiency of Leaching versus Nonleaching Polymer Materials Bioscience

publicado a la‎(s)‎ 24 may. 2016 8:19 por José Malaguera   [ actualizado el 24 may. 2016 8:51 ]

Macromol. Biosci. 2016DOI: 10.1002/mabi.201500266 

Figure 1. Mode of action of leaching versus nonleaching antimicrobial polymers, leaching antimicrobial polymers are characterized by antimicrobials (red dots), which are released by the polymer into the surrounding to mediate the antimicrobial effect by a chemical interaction with the germs (green). Hereby, the additive forms a concentration gradient (pink gradient), which can lead to the development of resistant pathogens in sublethal concentrations of the additive. Depending on the used type of a leaching additive a sensitization reaction can occur. Nonleaching antimicrobial polymers have immobilized antimicrobial agents (blue rods) which generate a positively charged surface, which mediate the antimicrobial effect by a physical effect. For this, the germs need direct contact with the material surface. So far, no adverse events are reported.

Proliferation based assays, such as the Certika assay, [ 38,39 ] are designed to measure the antimicrobial efficacy of both, leaching and nonleaching additives, based on the reproduction and release of daughter cells over a period of 18 h after inoculation. Regardless of the antimicrobial mode of action, the implication for bacterial growth on the surface is determined by the release of vital daughter cells, which are responsible for the infection development. The growth activity of these offspring bacteria is then monitored over time. Antimicrobial activity is determined by the time needed to reach a defined optical density (OD) which depends on the number of released cells (Figure 2 ). In comparison to untreated controls, antimicrobially active materials demonstrate their antimicrobial effect by a delayed (shift to the right) or even inhibited growth. A time difference, the so called “net onset OD” of 6 h, represents a reduction of >99.9% (3 log scales) of bacteria on the sample surface. The test is performed in a 96-well plate allowing for simultaneous measurement of eightfold replicates with improved standardization and reproducibility. However, samples have to be prepared to fit into a 96-well plate. This is a unique feature of this test method in that the test is less dependent on sample geometry than other tests and thus, end products can be used for the determination of the antimicrobial efficacy.

The proof of efficacy of antimicrobial products is usually performed with a variety of in vitro test systems. However, most current test systems have been developed for leaching substances and lack reliability for nonleaching products. The Certika test was specifically designed to test the antimicrobial properties of both, leaching and nonleaching antimicrobial products.

In this in vitro study, we investigated the antimicrobial performance of leaching and nonleaching antimicrobial materials in direct comparison with CVCs as an ideal and highly relevant system. For qualitative and quantitative analysis of the antimicrobials performance, we have used the Certika test method, which was established previously. The presented protocol will provide sound quantitative evaluation of other novel antimicrobial materials on implants and is therefore an important step toward efficient disease and hygiene control in the use of materials for medical applications.

2. Experimental Section

2.1. Proliferation Based Antimicrobial Efficacy Test

The antibacterial effectiveness of antibacterial catheters was tested with the proliferation assay Certika according to ISO DIN EN 17025 (QualityLabs BT GmbH, Nuremberg, Germany). [ 33 ] For the leaching types catheters with coatings of ionized silver (AgION), rifampicine-miconalzole, silver/sulphadiazine/ chlorhexidine, and silver/carbon/platinum were used. Nonleaching catheters included coatings with polyhexanide or poly-guanidine-derivatives.

Catheter samples were either used without a pretreatment or after a pretreatment. As pretreatment the samples were incubated in a 96-well micro titer plate in 200 µL 10% human plasma in phosphate buffered saline (PBS) at 37 °C for 1 h to allow the formation of a plasma conditioning film on the material surface and to thus simulate the in-use application of CVCs. The samples were then washed in 1× PBS pH 7.2 for 10 min. For testing 200 µL bacteria test strains (1 × 106 Colony forming units (CFU) mL 1) were added to each sample and incubated at 37 °C for 1 h to allow bacterial cells to adhere to the sample surface. Loosely bound bacteria were then removed by washing in PBS pH 7.2


Figure 2. Certika data evaluation, A) bacterial growth is optically determined every 30 min over a period of 48 h. The red line shows bacterial growth curve of a typical reference. Bacterial growth of an antimicrobial sample (blue line) appears delayed due to the lower number of vital offspring. Samples, which eliminate all bacteria on the surface, will show no growth curve (green line). The antimicrobial activity is calculated from the time needed to reach an optical density (OD) of 0.2 with an antimicrobially treated sample ( tB), relative to an untreated sample ( tA). A time difference (net onset OD) of 6 h represents a reduction of ≥99.9% (3 log) of bacteria on the material surface, a net onsetof 8 h a reduction of 99.99% (4 log). B) Certika test results of all tested catheters, exemplary shown for one test against Staphylococcus aureus MRSA. All samples are compared to a nonantimicrobial reference catheter (1). The CVC with ionized silver (2) showed only minor efficacy against the tested strain. All other catheters, treated with rifampicin-miconazole (3), silver/sulphadizine/chlorhexidine (4), silver/carbon/platinum (5), polyhexanide (6), and poly-guanidine derivates (7), demonstrated bactericidal activity.

for 10 min. Afterward the samples were incubated in 200 µL of minimum medium (PBS with 1% tryptic soy broth (TSB)) at 37 °C for 18 h (challenge time). After removal of the test samples, each well was supplemented with 50 µL TSB complete medium. The bacterial growth (of the daughter cells) at 37 °C was recorded every 30 min (readout time, Software KC4 3.4, BioTek) for a period of 48 h by OD measurements in a micro titer plate reader at a wavelength of 578 nm. The recording period was determined by the time until the optical content OD 578 reached the value of 0.2. The measurement was conducted as an eightfold replicate measurement. The antimicrobial effectiveness (net onset OD) of an antimicrobial coated sample was calculated as the difference of the onset OD value of the coated samples and the respective nonantimicrobial blank sample: net onset OD value = onset OD value (antimicrobial sample) minus onset OD value (blank sample).In the proliferation assay, the used test bacteria divide once every 30 min which means that after 5 h the net onset OD (in comparison to a blank sample) results in ten duplications/divisions equating to a log reduction of 2 10:1 (= 1024:1) and/or ≈0.1% of the formed daughter cells. Six net onset OD hours equate to 99.9% growth prevention or 3 log scales (compared to the untreated reference sample) and eight net onset OD hours equate to 99.99% (= 4 log scales) growth inhibition, respectively. Thus, the antimicrobial effectiveness is the difference of time which is required for the reference and the antimicrobial coated samples to reach an optical content of 0.2 (Figure 2 ).

2.2. Test StrainsFollowing Strains have been used in this Study

Staphylococcus epidermidis DSM 18857, Staphylococcus aureus MRSA EDCC 5247, E. coli DSM 682/ATCC 10536, Enterococcus faecalis DSM 6134, Pseudomonas aeruginosaDSM 939/ATCC 15442, Klebsiella pneumoniae DSM 6135, and Candida albicans DSM 5817/ATCC 10259.


Figure 3. Antimicrobial efficacy of leaching and nonleaching CVC systems against different strains.The CVC samples were tested for antimicrobial efficacy using the Certika test. The CVCs treated with silver/sulphadizine/chlorhexidine (dark gray), silver/carbon/platinum (black),polyhexanide (hatched), and poly-guanidine derivates (lined) mediated antimicrobial performance against all seven tested germs. The CVC with ionized silver (white) failed to reduce 3 log scales of Staphylococcus aureus MRSA, Enterococcus faecalis, and Candida albicans, the CVC with rifampicin-miconazole (light gray) Pseudomonas aeruginosa. A net onset time of 6 h represents a germ reduction of ≥99.9%, a net onset of 8 h a reduction of ≥99.99%. Results of two different charges of each CVC type are shown. Data reported are mean values of eightfold replicate measurements ± SEM.

New materials with bioactive functions become more and more a focus for hygienic and clinical disease control. Due to the variety of available antimicrobial additives, from classical leaching antibiotics to new nonleaching developments, meaningful testing of those properties is a complex task in which many influencing factors have to be considered. Although numerous variations of antimicrobial tests have been developed and used to detect the antibacterial properties of materials, one of the most relevant aspects is to clearly identify suitable test methods which are able to combine test conditions for catheters with different additive antimicrobial properties. Thereby, several points have to be taken into account. The first concerns the ability of an antimicrobial material additive to kill bacteria during the test period. This is an important issue, since kill kinetics differ between the different additives. Thus, the mode of action and the time required to obtain meaningful data have to be considered. Another fundamental aspect is whether the additive is released by the material or the activity is limited to the surface of the material. While releasing systems normally show good activity in all test systems, nonleaching additives can only show their effectiveness in test methods which are able to resolve surface activity. Other test methods will lead to false negative results. A third aspect is the ability of a testing system to test final products and not specially produced test samples. Methods with the ability to test end products should be preferred as parameters may vary between the production of catheters and test samples which may affect the antimicrobial performance.

The established microbiological test methods such as ISO 22196/JIS Z 2801, Adherence, ASTM E 2149, ASTM E 2180, and others are inadequate for testing antimicrobial efficacy of CVCs due to two reasons: (1) the sample

Macromol. Biosci. 2016, DOI: 10.1002/mabi.201500266 © 2016 The Authors. Published by WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.MaterialsViews.com


Figure 4. Antimicrobial efficacy of leaching and nonleaching CVC systems after plasma preincubation. The CVC samples were either used without pretreatment (white bars) or pretreated in 10% human plasma for 1 h at 37 °C (gray bars) prior to testing. Antimicrobial efficacy was tested using the Certika test against the bacteria A) Staphylococcus epidermidis, and B) multiresistant Staphylococcus aureus MRSA. The plasma preincubation had no or only minor influence on the antimicrobial effectiveness of the CVCs. The CVCs treated with ionized silver, which partly failed to mediate antimicrobial activity without pretreatment also failed after the preincubation in human plasma. A net onset time of 6 h represents a germ reduction of ≥99.9%, a net onset of 8 h a reduction of ≥99.99%. Data reported are mean values of eightfold replicate measurements ± SEM.

geometries requirements for standard test methods cannot be fulfilled with many products and (2) lack of testing of both types of antimicrobial materials, leaching and nonleaching.

In this study, the performance of different antibacterial catheter types was tested in vitro with the proliferation method (Certika test) for their antimicrobial efficacy against typical CRSBI-related gram-positive, gram-negative bacteria, and fungus yeast. With these first examples of benchmark tests using the Certika test method, the equal antimicrobial effect of leaching and nonleaching coated antibacterial catheters could be demonstrated. It was also shown that all catheter components of nonleaching antimicrobial catheters possess antimicrobial activity.

These results have three different implications. First, the Certica method is a suitable instrument to evaluate the antimicrobial properties not only catheter types with leachable antimicrobial additives but also for nonleaching antimicrobial CVCs. Second, these comparative in vitro data demonstrate that surface-active, nonleaching antimicrobial biomaterials produce excellent inhibition of bacterial growth on the catheter surface which is comparable to catheters coated with leachable antimicrobials. Plasma contact had no or only minor impact on the antimicrobial performance for the tested catheter types. Third, the results allow for further clinical evaluation of nonleaching catheters coated with polyhexanide or polyguanidine derivatives to prove their antimicrobial efficacy in in vivo applications in the daily clinical use.


4. Conclusions

In summary, this was the first comparative in vitro study to demonstrate the antimicrobial performance of CVC types treated with leaching and nonleaching antimicrobial materials (polyhexanide and poly-guanidine) on a quantitative basis. The presented data clearly show the equivalency of nonleaching polymer additives in CVC applications compared to the commonly used leaching antimicrobial technologies. However, by the use of nonleaching antimicrobial systems the undesired side effects associated with the leaching systems can be significantly minimized. The antimicrobial efficacy of nonleaching CVCs was comparable to leachable CVC types against various clinically relevant infection germs, including gram-positive, gram-negative bacteria, and yeast. In addition, the effect was not reduced after contact to human plasma, suggesting an antimicrobial efficacy under in vivo conditions. Further clinical investigations are needed to prove the antimicrobial efficacy of these new nonleaching antimicrobial CVCs in in vivo applications.

In conclusion, these findings represent an initial step to new nonleaching polymers and products, in which general problems with leaching materials, such as release of bioactive substances, loss of antimicrobial activity, and health risks due to biocide leaching, can be minimized. The applicability of these nonleaching antimicrobial materials of other polymer types and materials provides a potent new strategy to fight against device-associated multidrug infections.

Acknowledgements: We thank B.Braun Melsungen AG for providing the experimental poly-guanidine catheter samples for testing.

Received: July 14, 2015; Revised: October 8, 2015; Published online: ; DOI: 10.1002/mabi.201500266

Keywords: antimicrobial polymer material; catheters; in vitro test

[1] D. Campoccia, L. Montanaro, C. R. Aricola, Biomaterials 201334, 8533.

[2] K. Glinel, P. Thebault, V. Humblot, C. M. Pradier, T. Jouenne, Acta Biomater. 20128, 1670.

[3] D. Fraenkel, C. Rickard, P. Thomas, J. Faoagali, N. George,

R. Ware, Crit. Care Med. 200634, 668.

[4] D. Frasca, C. Dahyot-Fizelier, O. Mimoz, Crit. Care 201014, 212.

[5] P. Pronovost, D. Needham, S. Berenholtz, D. Sinopoli, H. Chu,

S. Cosgrove, B. Sexton, R. Hyzy, R. Welsh, G. Roth, J. Bander,

J. Kepros, C. Goeschel, N. Engl. J. Med. 2006355, 2725.

[6] J. F. Timsit, Y. Dubois, C. Minet, A. Bonadona, M. Lugosi,

C. Ara-Somohano, R. Hamidfar-Roy, C. Schwebel, Ann. Intensive Care 20111, 34.

[7] A. Attar, B. Messing, Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care 20014, 211.

[8] G. Donelli, I. Francolini, J. Chemother. 200113, 595.

[9] R. E. Gilbert, M. Harden, Curr. Opin. Infect. Dis. 200821, 235.

[10] J. C. Hockenhull, K. Dwan, A. Boland, G. Smith, A. Bagust,

Y. Dündar, C. Gamble, C. McLeod, T. Walley, R. Dickson, Health Technol. Assess. 200812, 1.

[11] L. A. Mermel, Ann. Intern. Med. 2000132, 391.

[12] L. A. Mermel, Emerging Infect. Dis. 20017, 197.

[13] S. Saint, D. L. Veenstra, B. A. Lipsky, Infect. Control Hosp. Epidemiol. 200021, 375.

[14] A. L. Casey, L. A. Mermel, P. Nightingale, T. S. Elliott, Lancet Infect. Dis. 20088, 763.

[15] P. S. Shah, N. Shah, Cochrane Database Syst. Rev. 20074, CD005983.

[16] P. Ramritu, K. Halton, P. Collignon, D. Cook, D. Fraenkel,

D. Battistutta, M. Whitby, N. Graves, Am. J. Infect. Control 200836, 104.

[17] M. E. Falagas, K. Fragoulis, I. A. Bliziotis, I. Chatzinikolaou, J. Antimicrob. Chemother. 200759, 359.

[18] H. Wang, T. Huang, J. Jing, J. Jin, P. Wang, M. Yang, W. Cui,

Y. Zheng, H. Shen, J. Hosp. Infect. 201076, 1.

[19] M. W. Dünser, A. J. Mayr, G. Hinterberger, C. L. Flörl, H. Ulmer,

S. Schmid, B. Friesenecker, I. Lorenz, W. R. Hasibeder, Anesth. Analg. 2005101, 1778.

[20] M. N. Carrasco, A. Bueno, C. de las Cuevas, S. Jimenez,

I. Salinas, A. Sartorius, T. Recio, M. Generelo, F. Ruiz-Ocaña, Intensive Care Med. 200430, 633.

[21] A. Guleri, A. Kumar, R. J. Morgan, M. Hartley, D. H. Roberts, Surg. Infect. (Larchmt) 201213, 171.

[22] T. Yasukawa, Y. Fujita, A. Sari, N. Engl. J. Med. 1999340, 1762.

[23] T. Oda, J. Hamasaki, N. Kanda, K. Mikami, Anesthesiology 199787, 1242.

[24] I. Raad, H. Hanna, Y. Jiang, T. Dvorak, R. Reitzel, G. Chaiban,

R. Sherertz, R. Hachem, Antimicrob. Agents Chemother. 200751, 1656.

[25] S. M. Tambe, L. Sampath, S. M. Modak, J. Antimicrob. Chemother. 200147, 589.

[26] L. A. Sampath, S. M. Tambe, S. M. Modak, Infect. Control Hosp. Epidemiol. 200122, 640.

[27] J. Dissemond, V. Gerber, A. Kramer, G. Riepe, R. Strohal,

A. Vasel-Biergans, T. Eberlein, J. Tissue Viability 201019, 106.

[28] I. Krikava, M. Kolar, B. Garajova, T. Balik, A. Sevcikova,

J. Pachl, P. Sevcik, R. Trubac, Crit. Care 201115, P229.

[29] A. Munoz-Bonilla, M. Fernández-García, Eur. Polym. J. 201565, 46.

[30] A. Munoz-Bonilla, M. Fernández-García, Polym. Sci. 201227, 2.

[31] F. Siedenbiedel, J. C. Tiller, Polymers 20124, 1.

[32] L. Timofeeva, N. Kleshcheva, Appl. Microbiol. Biotechnol. 20103, 89.

[33] K. Lewis, A. M. Klibanov, Trends Biotechnol. 200523, 343.

[34] A. C. Engler N. Wiradharma, Z. Y. Ong, D. J. Coady, J. L. Hedrick,

Y. Yang, Nanotoday 20127, 3.

[35] H. Hanna, P. Bahna, R. Reitzel, T. Dvorak, G. Chaiban,

R. Hachem, I. Raad, Antimicrob. Agents Chemother. 200650, 3283.

[36] “J. I. S. Z 2801:2010 Antimicrobial Products-Test for Antimicrobial Activity and Efficacy,” www.jsa.or.jp (accessed: 2011–12).

[37] “ASTM E2180–07(2012) Standard Test Method for Determining the Activity of Incorporated Antimicrobial Agent(s) in Polymeric or Hydrophobic Materials,” www.astm.org (accessed: 2012–04).

[38] T. Bechert, P. Steinrücke, J. P. Guggenbichler, Nat. Med. 20006, 1053.

[39] K. D. Kuehn, J. Bruenke, Int. J. Nano Biomater. 20103, 107.

[40] T. S. J. Elliott, H. Hamilton, A. R. Bodenham, Central Venous Catheters, Wiley-Blackwell, Chichester 2009, p. 206.



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Macromol. Biosci. 2016DOI: 10.1002/mabi.201500266 

The Authors. Published by WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

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Macromolecular Bioscience J. Bruenke et al.

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Luz blanca pura: el gran reto de la iluminación LED.

publicado a la‎(s)‎ 19 feb. 2016 4:29 por José Malaguera

Los resultados de una investigación de la Universidad de Utah abren la puerta a la creación de una luz blanca más pura y a una disminución en los costes de fabricación de los chips LED.


Los últimos avances de la industria de la iluminación LED permite fabricar chips que emiten luz blanca cada vez más pura y a menor coste.

Conseguir luz blanca más pura es uno de los grandes objetivos de la industria de la iluminación LED.  Hasta ahora esta se ha conseguido con la combinación de LEDs que emiten luz de distintos colores, de manera que posicionando adecuadamente los píxeles rojos, verdes y azules, el resultado fuera una luz blanca. Otra posibilidad para obtenerla es utilizar fósforo para transformar la luz de un LED azul en blanco.

Sin embargo, esta forma de conseguirlo posee ventajas y desventajas. Al combinar los distintos LEDs de colores se puede ajustar el carácter de la luz emitida por cada uno de ellos, pero esto supone un alto coste de producción. En el caso de utilizar fósforo, el Índice de Reproducción Cromática (un sistema internacional para medir la capacidad de una fuente de luz para reproducir los colores fielmente)  es muy alto y el coste es menor, pero la conversión del fósforo disminuye la eficiencia del dispositivo.


En busca de la mayor eficiencia

La industria de la iluminación, que siempre ha optado por buscar soluciones cada vez más eficientes, ha continuado sus investigaciones para superar estos obstáculos. Actualmente, gracias al trabajo de los físicos de la Universidad de Utah, en Salt Lake City, Estados Unidos, cada vez es más factible conseguir una luz blanca más pura. Para ello, han creado un polímero con partículas de platino que puede emitir luz de diferentes colores.

Con el proceso descubierto por el equipo de Valy Vardeny de la Universidad de Utah, se introducen átomos de platino en un semiconductor orgánico, de tal manera que pueda captar la emisión de luz de colores en el polímero. Al insertar los átomos de platino, lo hacen en diferentes intervalos, a lo largo de un polímero orgánico con forma de cadena, para poder armonizar los colores de la luz emitida. Este es un paso decisivo para crear un OLED (diodo orgánico) que genere luz blanca a partir de los múltiples colores de luz provenientes de un único polímero.

Los resultados de esta investigación abren la puerta además de a la creación de una luz blanca más pura y a una disminución en los costes a la hora de fabricar el LED que emita luz blanca. Pero para llegar hasta aquí han sido necesarios muchos años de investigación. Echemos la vista atrás y hagamos un poco de historia.

Valy Vardeny, investigador de la Universidad de Utah. Foto: Lee J. Siegel, University of Utah.


La evolución de los LEDs

En los años setenta se comenzó a producir el LED de forma industrial. Tan solo se producían el color rojo, verde y amarillo. Para conseguir estos colores, en el caso de la luz verde se utiliza el fosfuro o el nitruro de galio, uno u otro según la longitud de onda,  para la luz roja el arsenio de galio y aluminio, y para el amarillo arseniuro fosfuro de galio. Al principio el uso de la tecnología LED se limitaba a los mandos a distancia o electrodomésticos para indicar el encendido o el apagado, debido a su escasa potencia.

Las investigaciones continuaron y en 1993 tuvo lugar otro hito en la tecnología LED. El científico japonés Shuji Nakamura, inventó el primer chip capaz de generar luz azul empleando nitruro de galio. Este fue el primer paso para conseguir un LED blanco, puesto que como hemos explicado anteriormente, recubriendo un LED azul con fósforo se conseguía el blanco. Los pasos dados ahora por el equipo de Valy Valderny para conseguir una luz blanca más pura, seguramente supondrán otro hito para la tecnología LED, que gracias a su eficiencia se ha expandido por todo el mundo.

Alumbrado de interior

Pero respecto a la luz blanca debemos recordar que no es la más adecuada para alumbrar exteriores: es mejor optar por el LED ámbar. En cambio, si queremos elegir la tecnología LED para interiores, la luz blanca es una posibilidad que puede ser adecuada si lo que queremos es que aumente la concentración de las personas.  No obstante, es necesario hacer un estudio para analizar las condiciones del lugar a iluminar.

Factores a tener en cuenta para una buena iluminación:

La temperatura de color, que se mide con un termocolorímetro, es importante a la hora de iluminar un recinto. Como ya hemos definido en anteriores posts, es la sensación que percibe el ojo humano ante una luz. Si queremos que la estancia dé una sensación calidez tendrá que predominar la luz de color ámbar, en cambio, si queremos que esta sea fría, tendrá que ser azul o blanca. Por supuesto, esta medición se aplica tan sólo a luz blanca.

También es necesario analizar el índice de reproducción cromática, que como hemos explicado anteriormente, es un sistema internacional para medir la capacidad de una fuente de luz para reproducir los colores fielmente.

La potencia de la fuente de luz es otro factor a tener en cuenta, así como la eficacia luminosa,  que es la relación existente entre el flujo luminoso en lúmenes emitido por una fuente de luz y la potencia en vatios.

Si realizamos un estudio del lugar a iluminar, teniendo en cuenta estos factores conseguiremos que la tecnología LED responda eficazmente  a nuestras necesidades. Además, tenemos que tener en cuenta que las luminarias LEDs poseen una larga vida útil, ahorran energía, sus emisiones de CO2 son muy escasas y son más resistentes que las lámparas tradicionales.

Fuente: http://lediagroup.com/tecnologia-led/luz-blanca-pura-el-reto-de-la-iluminacion-led/

Se logra récord mundial de ultra alta velocidad de Transmisión a 2.15Pb/s, con fibra óptica.

publicado a la‎(s)‎ 6 nov. 2015 11:42 por José Malaguera   [ actualizado el 6 nov. 2015 11:55 ]

 - Tecnología prometedora para larga distancia y ultra alta velocidad de transmisión, que emplea una fibra óptica monomodo, multinúcleo y un arreglo de fuentes para frecuencias ópticas –


El Instituto Nacional de Información y Tecnologías de la Comunicación (NTIC) (National Institute of Information and Communications Technology NICT), Sumitomo Electric Industries, Ltd. (Sumitomo Electric), y  RAM Photonics, LLC (RAM) han establecido un nuevo récord mundial en la transmisión a través de fibra óptica, alcanzando una velocidad de transmisión de 2.15Pb/s (P=10ˆ15Hz), que es mayor al anterior récord en más de un factor de dos. 

Todos los estudios actuales a nivel mundial sobre fibras ópticas multinúcleos para aplicaciones como medio de transmisión para ultra-alta velocidad de transmisión, presentan esta tecnología como muy prometedora, como se logró comprobar experimentalmente en una  transmisión en un tramo de 31 kilómetros de largo, usando una fibra multinúcleo monomodo de 22 núcleos homogéneos, utilizando un arreglo de fuentes de frecuencias ópticas de alto rendimiento (* 1) la cual es capaz de generar simultáneamente señales de múltiples longitudes de onda que abarcan toda la banda C y L.

Comprobados experimentos de transmisión están impulsando la realización de futuras redes ópticas coherentes de ultra-alta velocidad de transmisión digital. La publicación sobre este estudio fue aceptada y presentada como un paper posterior a la fecha límite en la 41a Conferencia Europea en Comunicación Óptica (41st European Conference on Optical Communication) (ECOC2015) * 2. El paper presentado fue considerado como el mejor trabajo de post plazo (post-deadline paper) y fue galardonado con el Premio Nature Photonics.
Características de la Tecnología.

• Se alcanza una velocidad de transmisión de 2.15Pb/s, lo que duplica la capacidad récord mundial anterior de velocidad de transmisión de 1PB/s.
• Se aplica en una fibra óptica de 22 núcleos homogéneos, monomodo y multinúcleo, adecuada para la transmisión de larga distancia.
• Se emplea un arreglo de una fuente de frecuencias de  alto rendimiento para la realización de una red digital coherente de alta capacidad.

Fundamentos

La velocidad de transmisión a través de la fibra óptica debe incrementarse para poder mantener la tendencia explosiva del creciente tráfico de datos de información. Con el fin de elevar la velocidad de transmisión a través de la fibra óptica, un nuevo tipo de fibra óptica se ha estado estudiando intensamente en los institutos de investigación a nivel mundial, que incluyen fibras ópticas multinúcleo, así como la técnica de multiplexación por división de espacio SDM (space division multiplexing  SDM). Recientemente en el NICT se ha estado aplicando intensamente (National Institute of Information and Communications Technology NICT), diversos estudios de vanguardia sobre las fibras multinúcleo y sus respectivos dispositivos, así como la transmisión con la tecnología SDM.

Para el desarrollo práctico de redes ópticas de ultra altas velocidades de transmisión, son esenciales sin duda, las sinergias entre las fibras ópticas multinúcleo, los dispositivos y los equipos de transmisión. Teniendo en cuenta las implementaciones reales en los sistemas de transmisión de larga distancia, las fibras ópticas con múltiples núcleos deben tener baja atenuación y baja diafonía. Una fuente láser de alto rendimiento como señal portadora es también uno de los dispositivos claves en sistemas de multiplexación por división de longitud de onda, ultra densas y de banda ancha (WDM), y por lo tanto, es imprescindible la realización de arreglos de fuentes de frecuencias ópticas, capaces de generar portadoras de luz de alto rendimiento con múltiples longitudes de onda.

Logros y Resultados

Mediante el empleo de una fibra óptica multinúcleos monomodo y de un arreglo de fuentes de frecuencias ópticas, el NICT demostró que la tecnología de transmisión SDM/WDM alcanzó el nuevo récord mundial de velocidad de propagación con fibra óptica de 2.15Pb/s (1PB/s=10ˆ15b/s), que supera el récord anterior en más de un factor de dos. En este experimento, las tecnologías de última generación, que incluyen, transmisores 64QAM, supercanal de polarización dual, amplificadores ópticos de potencia optimizados, banda ancha y detectores coherentes digitales, también se consideraran desde el punto de vista futuro de la velocidad de transmisión ultra alta, en sistemas de larga distancia.

Vista de una sección transversal de 22 núcleos de una fibra monomodo multinúcleo (izquierda) y un espectro óptico de un arreglo de fuentes de alto rendimiento (derecha).


Se empleó como línea de transmisión una fibra óptica monomodo, multinúcleo, homogénea, de 22 núcleos, con una longitud de 31 kilómetros de largo, diseñada y fabricada para este proyecto por Sumitomo Electric. Las fibra óptica monomodo, multinúcleo, homogénea es la adecuada para los sistemas de larga distancia SDM/WDM, dado que las señales ópticas que se propagan a través de diferentes núcleos presentan el mismo tiempo de propagación. Sin embargo, la supresión de la señal de diafonía, requiere procesos de diseño y fabricación de fibras ópticas avanzadas. 19 núcleos, fue el número más alto de núcleos monomodo, homogéneos, contenidos en una sola fibra en la transmisión de larga distancia antes de presentar la actual investigación.

Se empleó un arreglo de fuentes de frecuencia óptica de alto rendimiento, como fuente portadora de la señal, que puede generar al mismo tiempo cientos de señales portadoras, que abarcan las bandas C y L de 1610 a 1620nm con igual espaciado de 25GHz. La fuente de frecuencia óptica, diseñada para el cliente y fabricada por RAM utiliza una fibra óptica de encargo, con un alto comportamiento no lineal, fabricada por Sumitomo Electric, la cual presenta un rendimiento superior (bajo ensanchamiento de línea espectral, mínimo ruido, alta estabilidad en frecuencia, alta coherencia mutua, y bajo consumo de energía) en comparación con el desempeño de algunos arreglos láser conocidos.

El paper referente a este estudio fue aceptado y presentado el 1 de octubre de 2015 como un paper posterior a la fecha límite de la 41a Conferencia Europea en Comunicación Óptica (41st European Conference on Optical Communication ECOC2015) celebrada en Valencia, España, del 27 septiembre al 1 octubre de 2015. El paper fue considerado como el mejor paper post-plazo y fue galardonado con el Premio Nature Photonics en la ECOC2015.

Perspectivas futuras

En este experimento de transmisión, la NICT, Sumitomo Electric, y RAM mostraron las características prometedoras de las fibras ópticas multinúcleo, así como las de los arreglos de fuentes de frecuencias ópticas, los cuales encontrarán aplicación en futuros sistemas de comunicaciones ópticas para ultra altas velocidades de transmisión, con tecnologías coherentes digitales. En un esfuerzo por implementar tecnologías prácticas de transmisión SDM/WDM, continuarán siendo implementados en el futuro, este tipo de estudios de investigación.

Referencias
*1 RAM Photonics, "TeraTone™ Low-Noise Frequency Comb", http://www.ramphotonics.com/products/teratone/
*2 B. J. Puttnam, R. S. Luís, W. Klaus, J. Sakaguchi, J.-M. Delgado Mendinueta, Y. Awaji, N. Wada, Y. Tamura, T. Hayashi, M. Hirano and J. Marciante, "2.15 Pb/s Transmission Using a 22 Core Homogeneous Single-Mode Multi-Core Fiber and Wideband Optical Comb," in Proc. ECOC2015, PDP.3.1.

Físicos descubren una nueva forma extraña de la materia

publicado a la‎(s)‎ 6 nov. 2015 5:21 por José Malaguera   [ actualizado el 6 nov. 2015 7:37 ]

Kimm Fesenmaier-Caltech
 

David Hsieh dirige la trayectoria de un haz láser a través de un aparato, que se utiliza para medir la auto-organización espontánea de electrones dentro de un cristal. (Fuente: Lance Hayashida/Caltech)



Un equipo de físicos ha descubierto una forma inusual de la materia, que no es por ejemplo, un metal convencional, ni un aislante, ni un imán, se trata de algo totalmente diferente.

Esta fase, que se caracteriza por un orden inusual de electrones, ofrece posibilidades de nuevas funcionalidades en los dispositivos electrónicos y podría ser la solución a un misterio de larga data en la física de la materia condensada, que tienen que ver con la alta temperatura de la superconductividad, que es la capacidad que presentan algunos materiales de conducir la electricidad sin resistencia, incluso a temperaturas "altas" que se acercan a los -100 grados Celsius.
"El descubrimiento de esta fase fue totalmente inesperado, y no ha estado basado en ninguna predicción teórica anticipada," dice David Hsieh, profesor asistente de física en el Instituto de Tecnología de California (Caltech), quien anterior a este proyecto, había pertenecido a un equipo de científicos que descubrió otra forma de materia llamada: aislante topológico.

"El área de los materiales electrónicos es impulsada por el descubrimiento de nuevas fases, que proporcionan los fundamentos que juegan un papel determinante en la búsqueda de nuevas propiedades físicas macroscópicas."
Hsieh y sus colegas describen sus hallazgos en Nature Physics. En el sitio: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3517.html#access Liuyan Zhao, es el autor principal, un investigador postdoctoral del grupo de investigación de Hsieh.

En la imagen se muestra una interpretación de un artista referente a los dominios espacialmente segregados, de orden multipolar, en el cristal Sr2IrO4. La orientación del orden multipolar en cada dominio, se representa por el objeto multilobular. (Fuente: Liuyan Zhao)




Electrones de imagen en un cristal

Los físicos hicieron el descubrimiento mientras probaban un método de medición basado en una técnica láser, que recientemente se había desarrollado para buscar el efecto denominado "orden multipolar". Para entender este fenómeno físico del "orden multipolar", se puede considerar inicialmente un cristal con electrones, los cuales se mueven alrededor de la distancia longitudinal interna del cristal. Bajo ciertas condiciones, puede ser energéticamente favorable para las cargas eléctricas, acumularse dentro del cristal y repetir este proceso de manera regular, formando lo que se denomina una "fase de carga ordenada". El bloque constructivo de este tipo de orden, es decir, la denominada convencionalmente "carga", es simplemente una cantidad escalar, que se puede describir con sólo un valor numérico, o una magnitud.

Además de la carga, los electrones también tienen un grado de libertad conocida como spin. Cuando los espines se alinean paralelos entre sí (en un cristal, por ejemplo), se forma un material ferromagnético como en un imán que podría ser utilizado en su refrigerador o que se podría utilizar en la banda de su tarjeta de crédito. Debido a que el Spin, tiene tanto una magnitud como una dirección, una "fase ordenada" de espines, puede quedar descrito por un vector.

Durante las últimas décadas, los físicos han desarrollado técnicas sofisticadas para encontrar estos dos tipos de fases. ¿Pero, que sucede, si los electrones en un material no están ordenados en una de estas dos formas? En otras palabras, ¿qué pasa si su ordenamiento no está descrito por un escalar o por un vector, sino por algo con más dimensiones, como una matriz?

Esto puede ocurrir, por ejemplo, si el bloque constructivo del "orden de fase" es un par de spins apuntando en sentido opuesto, uno apuntando al norte y el otro apuntando al sur, lo que se conoce como un cuadripolo magnético. Tales ejemplos de un "orden de fases multipolares" de la materia, son difíciles de detectar usando sondas experimentales convencionales. Como resultado, la nueva fase que el grupo de Hsieh identificó es precisamente este tipo de "orden multipolar".

Encontrando una "huella digital"

Para detectar un "orden multipolar", el grupo de Hsieh utiliza un efecto llamado "generación de armónicos ópticos", que se presenta en todos los sólidos, pero que suele ser extremadamente débil. Normalmente, cuando se mira un objeto iluminado con una sola frecuencia de la luz, toda la luz que se ve reflejada por el objeto, muestra la misma frecuencia. Al dirigir un puntero láser rojo contra una pared, por ejemplo, el ojo detecta sólo la luz roja. Sin embargo, en todos los materiales, hay una pequeña cantidad de luz que rebota, la cual tiene una frecuencia que está en relación de múltiplos enteros en referencia a la frecuencia original central generada desde el puntero. Así que con el láser rojo, también habrá algo de luz azul que rebota de la pared. Sólo que no se logra percibir con la vista, porque es un pequeño porcentaje del total de la luz. Estos múltiplos se llaman "armónicos ópticos".

El grupo de Hsieh experimenta y espera poder aprovechar el hecho, de que los cambios en la simetría de un cristal afecta la intensidad de cada armónico, de una manera diferente. Desde que surgieron los cambios en el "ordenamiento multipolar", analizar la simetría del cristal de una forma muy específica, puede ser un método en gran medida invisible para las sondas convencionales. La idea estaba centrada en que la "respuesta armónica óptica" de un cristal pudiera servir como una "huella dactilar de orden multipolar".

"Encontramos que la luz reflejada en la segunda frecuencia armónica reveló un conjunto de simetrías completamente diferentes al compararla con las simetrías de la estructura cristalina conocida, mientras que este efecto no aparece en lo absoluto en la luz reflejada a la frecuencia fundamental", asegura Hsieh. "Esta es una huella muy clara de un tipo específico de orden multipolar."

Iridates y cupratos

El compuesto específico que los investigadores estudiaron fue el óxido de estroncio-iridio (Sr2IrO4), que es un miembro de la clase de compuestos sintéticos ampliamente conocidos como iridates. En los últimos años ha habido un gran interés en el Sr2IrO4 debido a ciertas características que comparte con compuestos a base de óxido de cobre o cupratos.
Los Cupratos son la única familia de materiales conocidos que presentan la superconductividad a altas temperaturas superiores a 100 grados Kelvin (-173 grados Celsius). Estructuralmente, los iridates y los cupratos son muy similares. Al igual que los cupratos, los iridates son aislantes eléctricamente antiferromagnéticos que se vuelven cada vez más metálicos, debido a que los electrones se añaden o se eliminan a través de un proceso llamado dopaje químico. A un nivel suficientemente alto de dopaje se transforman los cupratos en superconductores de alta temperatura, y como los cupratos evolucionan de ser aislantes a superconductores, éstos transitan inicialmente a través de una fase misteriosa conocida como el "pseudogap", donde se requiere una cantidad adicional de energía para remover electrones del material.

Durante décadas, los científicos han debatido sobre el origen del  "pseudogap" y su relación con la superconductividad, contrastando, de si se trata de un precursor necesario para la superconductividad o si se concurre con una "nueva fase", que muestra un conjunto diferente de propiedades de simetría. Si este fenómeno se entiende mejor, creen los científicos, podría ser posible desarrollar materiales que puedan  superconducir a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente.

Recientemente, una fase "pseudogap" también se observó en el  Sr2IrO4, con lo que el grupo de Hsieh ha encontrado que existe un orden multipolar, y ha identificado más de una ventana de dopaje, a la temperatura donde el "pseudogap" está presente. Los investigadores todavía están investigando si los dos se superponen exactamente, pero Hsieh asegura, que el trabajo sugiere una conexión entre el orden multipolar y los fenómenos de "pseudogap".

"También han sido publicados muy recientemente papers de otros grupos de investigación, donde se comprueban características de superconductividad en Sr2IrO4 de la misma variedad que la encontrada en cupratos", asevera. "Teniendo en cuenta una fenomenología muy similar a la de los iridates y cupratos, quizás los iridates ayuden a resolver algunos de los debates de larga data acerca de la relación entre el "pseudogap" y la superconductividad de alta temperatura."

Hsieh expresa, que el hallazgo subraya la importancia de desarrollar nuevas herramientas para tratar de descubrir nuevos fenómenos. "Esto fue realmente activado por un avance técnico simultáneo", asegura. Además, añade, que podría existir este orden multipolar en muchos más materiales. "El Sr2IrO4 es el primero detectado, por lo que este tipo de "ordenamiento", muy bien, podría esperarse que esté presente en otros materiales, y eso es exactamente lo que estamos tratando de comprobar próximamente."

Coautores de las Investigaciones adicionales son: El Instituto Caltech, la Universidad de Tel Aviv, la Universidad Estatal de Iowa, y la Universidad de Kentucky. Financiado por: La Oficina de Investigación del Ejército de los EE.UU, (The Army Research Office) la National Science Foundation (NSF), el Instituto de Información Cuántica de la Materia, (the Institute for Quantum Information and Matter) y el Centro de los Límites de la Física NSF (NSF Physics Frontiers Center) con el apoyo de la Fundación Gordon y Betty Moore.

Guión de reflexiones y opiniones sobre el currículo de la carrera de Ing. Electrónica.

publicado a la‎(s)‎ 2 nov. 2015 9:00 por José Malaguera   [ actualizado el 2 nov. 2015 9:12 ]


Por: José Malaguera. Núcleo  de Telecomunicaciones. UNET.

Áreas de conocimiento: Semiconductores, Fabricación de Dispositivos Electrónicos, Diseño de circuitos de Microondas, Ondas Electromagnéticas, Radio Frecuencias, Microondas, Comunicaciones Móviles, Fotónica y Sistemas Fibra Óptica.



Pertinencia.

Las últimas décadas, el área de la tecnología electrónica y las telecomunicaciones han mostrado un rápido avance. Las tendencias, sin duda, están orientadas a la miniaturización y al procesamiento de enormes cantidades de datos, lo cual se traduce en una mayor exigencia en el uso de nuevos materiales capaces de soportar las características físicas de la transferencia térmica y de las características mecánicas adecuadas, para adecuarse al necesario diseño de micro- y nano- tecnologías.

Necesidad de actualización de la carrera.

Indudablemente existe una acelerada tendencia en el campo de la electrónica y las telecomunicaciones a fabricar  sistemas de tamaño cada vez más reducido, de pequeño volumen y bajo peso. Estas exigencias implica el uso de nuevos materiales en el diseño de los dispositivos electrónicos. Materiales que puedan disipar la temperatura generada por los altos campos electromagnéticos que intervienen en el procesamiento. 

Desde la década de los noventa se ha iniciado el uso de los Nitruros como el Nitruro de Galio y a finales de la década pasada ha aparecido un material milagroso, que está actualmente en estudio y desarrollo en aplicaciones en el campo de la nanotecnología, se trata del Grafeno, con este nuevo material los nuevos dispositivos que soportaran las nuevas generaciones de sistemas electrónicos miniaturizados nanométricos, serán bidimensionales, 2D.

En este sentido, los nuevos conocimientos que se imparten en la educación universitaria, deben estar orientados a formar una base física que permita comprender los conceptos tecnológicos aplicados a los nuevos paradigmas de los actuales desarrollos en el campo de la Ingeniería Electrónica.

La miniaturización en micro- y nano- tecnología están directamente asociadas a las longitudes de ondas relacionadas con las dimensiones de los nuevos dispositivos, esta característica necesita el uso de las microondas, cuya física de propagación cumpliría con las nuevas exigencias de miniaturización. El uso de las técnicas de altas frecuencias junto con al empleo de nuevos materiales es la clave en las aplicaciones tecnológicas futuras en el campo de la Ingeniería Electrónica.

Contexto laboral

Nuestros países buscan independencia tecnológica, este objetivo sólo puede alcanzarse con el dominio de la ciencia y la tecnología a los niveles actuales. Por lo tanto, el estudio de la ingeniería desde el punto de vista de la ciencia básica, señalará esa diferencia, necesaria en el despegue de la independencia científica.

Un nuevo enfoque de la formación universitaria en el área de ingeniería debe orientarse a fortalecer el conocimiento de la ciencia básica. No significa este nivel académico, sólo una acumulación vaga o difusa, sin aplicaciones, todo lo contrario, se debe considerar como el fundamento sólido donde se podrá iniciar un proceso de escape de la dependencia de las potencias desarrolladas y de la construcción de nuestra propia infraestructura de investigación y desarrollo.

Si nuestras universidades no son flexibles en sus currícula profesionales, no estarán en capacidad de seguir el rápido avance de la ciencia y la tecnología de este nuevo milenio, sin flexibilidad curricular las universidades estarán destinadas a quedarse en el pasado conceptual de los pioneros de la ciencia, cuyas ideas son importantes y representan la base de los conocimientos de las ciencias clásicas, sin embargo, debe ser objetivo fundamental de la formación universitaria, seguirle el paso a todos los nuevos avances, para lograr un profesional adaptable a los nuevos retos que emergen de las nuevas tecnologías en el campo de la ingeniería.

Labores Sociales.

El campo de la Ingeniería Electrónica y de las Telecomunicaciones presenta variadas aplicaciones que encuentran usos inmediatos y soluciones a diversos problemas de la sociedad moderna.

Un ejemplo es el área de seguridad, aplicaciones de vigilancia asociadas a tecnologías desarrolladas de circuitos cerrados da cámaras, usos de tecnología RFID y NFC de campo cercano para aplicaciones de pagos con equipos móviles.

Otras tecnologías podrían ser el uso de visión nocturna e infrarroja en servicios de investigación y seguimiento policíaco. Junto al empleo de pequeños drones, la utilización de cámaras espías puede ser muy útil para los servicios de seguridad del estado y privados.

Sin duda que facilitar el acceso a INTERNET a las comunidades, independientemente de su clase social, es un camino para tener información actualizada nacional e internacional. Manejar una serie de herramientas disponibles en la Web, debe ser también una tarea de función docente de la Universidad, como una forma de acercar el conocimiento tecnológico a las comunidades.
Fortalezas del Plan de Estudio actual.

Sin duda la formación del egresado de la UNET está centrada en el área de Instrumentación y Control, campo donde tanto el fundamento teórico como de aplicación práctica, está soportado por un equipo profesoral, como por una infraestructura, que a pesar de algunas carencias, ha formado al egresado a buen nivel, como lo comprueba la preferencia que tiene el sector industrial de nuestros egresados.

Limitaciones del Plan de Estudio actual.

Desde el punto de vista del área de las Telecomunicaciones se puede asegurar que una de las limitaciones que muestra la carrera, es el bajo perfil en asignaturas de Pensum del área de las Telecomunicaciones, importantes para la formación del Ingeniero Electrónico. Se debe plantear además, que esta problemática se agudiza al observar la falta de laboratorios equipados para soportar la formación práctica en esta importante área de la tecnología.

Recomendaciones para mejorar el currículo.

El currículo de carrera debería tener canales más flexibles para el cambio y la adaptación a los nuevos avances tecnológicos. Los Núcleos de carrera son las unidades de especialización más cercanas a tener un conocimiento inmediato de los nuevos avances en su campo de aplicación, deberían poder proponer los cambios adecuados a los contenidos, con el objetivo de ir a la par con los actuales desarrollos en su campo tecnológico.

Recomendaciones para planificación y desarrollo curricular.

Como consecuencia de los rápidos cambios que experimenta la ciencia y la tecnología, los núcleos de carrera podrían proponer a los consejos de carrera, los cambios que deberían estar haciéndose continuamente para lograr un currículo flexible, adaptado a los nuevos avances. A su vez el consejo de carrera podría comunicarlo a la comisión central de currículo para aprobar las nuevas propuestas.

La ciencia y la tecnología evolucionan rápidamente, por lo tanto el currículo de carrera debe adaptarse a la misma velocidad a estos cambios, para ir a la par con los avances científicos. La planificación del currículo no debe estar basada sólo, en una propuesta para un período de tiempo largo, en la formación clásica de fundamentos, podría tener validez, pero este no es el caso que describe los nuevos avances en ciencia y tecnología, lo que exigiría de una flexibilidad de una parte del currículo, que asegure la adaptación a los cambios, saberes que sin duda deben tomarse de propuestas provenientes de los núcleos de conocimiento.
Recomendaciones para mejorar la carrera.

La carrera debe ser una estructura inteligente, sensible, que perciba los cambios en ciencia y tecnología, como lo hace la piel humana, capaz de sentir mínimas variaciones de su ambiente circundante.

No podemos ver la carrera como una estructura sólida, con columnas de un hormigón rígido, Al contrario, debe ser un organismo vivo, latente, en condiciones de crecer continuamente, de regenerarse como lo hacen las plantas, de mutar, para convertirse en un organismo vivo en su esencia, filosófica de pensamiento y conocimiento.

Tenemos que cambiar el paradigma del currículo de carrera, pasar de ser un ente rígido a un instrumento flexible, que fluya dentro de los parámetros de los acelerados cambios que ocurren y que notamos más violentas, en las variaciones que experimenta el futuro cercano, debido a la apropiación general del conocimiento, en manos nuestras, en manos, de este ser insatisfecho, sediento de descubrir los misterios del Universo, en las manos del ser humano.

IBM resuelve uno de los tres retos para masificar los transistores de nanotubos de carbono.

publicado a la‎(s)‎ 5 oct. 2015 5:12 por José Malaguera   [ actualizado el 5 oct. 2015 5:16 ]

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Han conseguido reducir el tamaño del contacto metálico que alimenta de corriente al nanotubo a una escala comercialmente viable














Este micrográfico muestra varias transistores hechos de un sólo nanotubo de carbono. En amarillo se ven los electrodos metálicos de varias dimensiones, y la débil línea vertical que se intuye a la derecha del centro de la imagen es el nanotubo.

Durante décadas, la industria de los semiconductores ha ido introduciendo cada vez más transistores de silicio en los chips informáticos para mejorar su rendimiento, pero pronto ese proceso llegará al límite de sus capacidades físicas. Ahora, unos investigadores de IBM dicen que "un importante avance de ingeniería" da motivos para ser optimistas con una alternativa prometedora a los transistores de silicio que esté lista a tiempo para reemplazarlos: los transistores de nanotubo de carbono.

Los nanotubos de carbono, diminutos cilindros hechos de enrolladas láminas de carbono del grosor de un átomo, tienen propiedades eléctricas y termales muy atractivas, y en teoría podrían formar la base de circuitos muchos más rápidos y energéticamente eficientes que los circuitos actuales de silicio. Pero varios importantes retos de fabricación impiden la comercialización de dispositivos comerciales basados en los transistores de nanotuboa. Los investigadores de IBM dicen que han averiguado cómo superar uno de ellos: cómo combinar nanotubos con los contactos metálicos que proporcionan la corriente.

Los transistores de nanotubo representan una alternativa prometedora porque a muy pequeña escala son más eficientes que los de silicio. Pero los primeros dispositivos de demostración (ver El primer ordenador de nanotubos de carbono) no han alcanzado el mínimo de transistores necesarios para un dispositivo comercial y sus contactos metálicos han sido demasiado grandes. Un chip comercialmente viable para un ordenador de alto rendimiento necesitaría de miles de millones de transistores, y los contactos tendrían que ser significativamente más pequeños. Es un dilema, porque a esta escala las propiedades eléctricas del metal cambian, y resulta más difícil llevar la corriente hasta los transistores para conmutarlos. Cuantos más pequeños sean los contactos, más empeora este problema.

Los investigadores abordaron el problema al cambiar la interfaz entre un nanotubo y los dos contactos de metal. En lugar de depositarlos encima del tubo, como se hace en el enfoque tradicional de fabricación de transistores de nanotubos, los colocaron en los extremos del tubo e hicieron que reaccionaran con el carbono para formar un compuesto químico distinto. Mediante esta técnica, el grupo demostró que los contactos de menos de 10 nanómetros no comprometieron el rendimiento. (Los chips de silicio de alta gama actuales tienen componentes de 14 nanómetros).

El éxito del nuevo método significa que la capacidad de entregar corriente a los transistores de nanotubos de carbono ahora es independiente de la longitud de los contactos metálicos, dice Wilfried Haensch, que lidera el proyecto de nanotubos de IBM Research. Ahora está claro que pueden fabricar transistores tan pequeños como sea necesario, dice, y esto es un gran paso hacia el objetivo de la empresa de tener lista la tecnología de nanotubos de carbono para 2020 (ver La computación depende de los transistores de nanotubos).

Siguen existiendo unos retos considerables, reconoce Haensch. Dice que el trabajo reciente sólo supera uno de los tres obstáculos principales para la comercialización viable de transistores de nanotubos de carbono. Otro es que los nanotubos existen en dos formas, metálicos y semiconductores, pero sólo los semiconductores resultan útiles para los transistores. Los ingenieros necesitan mejorar significativamente la separación de tubos metálicos de los tubos semiconductores. El segundo reto que queda por resolver es el desarrollo de una manera fiable y no litográfica de colocar miles de millones de nanotubos en el lugar exacto donde se requieren dentro de un chip.

Ha habido muchos progresos en el problema de la separación, dice Michael Arnold, un profesor de la ciencia de materiales e ingeniería de la Universidad de Wisconsin (EEUU), que no formó parte de esta investigación. El nuevo resultado de IBM representa "una estrategia fantástica" para abordar el problema del contacto, dice, aunque señala que hasta ahora los investigadores sólo han demostrado que funciona para uno de los dos tipos de transistores requeridos para realizar funciones complementarias de lógica. Cuando se trata de alinear los nanotubos dentro del chip, sin embargo, queda una cantidad importante de trabajo por hacer si la tecnología realmente va a reemplazar el silicio, dice Arnold.

Un simulador cuántico de fenómenos imposibles.

publicado a la‎(s)‎ 5 oct. 2015 4:46 por José Malaguera

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El grupo de investigación Quantum Technologies for Information Science (QUTIS) de la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea, liderado por el profesor Ikerbasque Enrique Solano, en colaboración con un grupo experimental de la Universidad de Tsinghua (Pekín, China) dirigido por el profesor Kihwan Kim, ha creado un simulador cuántico que es capaz de crear fenómenos no físicos en el mundo atómico, es decir, fenómenos físicos imposibles. Los investigadores de ambos grupos han logrado que un átomo atrapado imite comportamientos que contradicen a sus propias leyes fundamentales, llevando los elementos de la ciencia ficción al mundo microscópico. “Hemos conseguido que un átomo actúe como si violase la naturaleza de los sistemas atómicos, es decir, la física cuántica y la teoría de la relatividad. Al igual que sucede en el teatro o en las películas de ciencia ficción, donde los actores parecen mostrar comportamientos absurdos que van en contra de las leyes naturales, en este caso, los átomos son obligados a simular acciones absurdas como si se tratara de un actor de teatro o ficción”, explica el profesor Solano.

Los resultados de esta investigación han sido publicados en la prestigiosa revista Nature Communications, en el artículo “Time reversal and charge conjugation in an embedding quantum simulator” (La inversión del tiempo y la conjugación de carga en un simulador cuántico generalizado). El equipo investigador del grupo QUTIS de la UPV/EHU ha sido liderado por el Prof. Enrique Solano, y ha contado con la participación del Dr. Lucas Lamata y el Dr. Jorge Casanova, actualmente en la Universidad de Ulm, Alemania.

En este experimento, los investigadores han reproducido en el laboratorio la propuesta teórica previa recogida en una investigación previa liderada por el grupo QUTIS, donde se describe la posibilidad de que un átomo atrapado pueda realizar comportamientos incompatibles con las leyes fundamentales de la física cuántica. Más concretamente, operaciones prohibidas en sistemas físicos microscópicos, como la conjugación de carga, que transforma partícula en antipartícula, o la inversión temporal, que invierte la dirección de la flecha del tiempo.

Para la realización del experimento fue necesario utilizar un átomo cargado y atrapado con campos electromagnéticos bajo la acción de un sistema avanzado de láseres. Este tipo de operaciones de simetría podríamos calificarlas como prohibidas, ya que sólo podrían existir en un universo distinto al que conocemos, con leyes distintas. Sin embargo, en este experimento se ha podido simular la realización de este conjunto de leyes imposibles en un sistema atómico.

El grupo QUTIS de la UPV/EHU es líder mundial en simulación cuántica y sus influyentes propuestas teóricas son verificadas con frecuencia en los laboratorios más avanzados de tecnologías cuánticas. En este caso, operaciones físicas prohibidas para el mundo atómico son reproducidas como en la ciencia ficción, es decir, como si sucedieran de forma artificial en un teatro cuántico.

Referencia:

Xiang Zhang, Yangchao Shen, Junhua Zhang, Jorge Casanova, Lucas Lamata, Enrique Solano, Man-Hong Yung, Jing-Ning Zhang & Kihwan Kim. (2015) Time reversal and charge conjugation in an embedding quantum simulator. Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms8917

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa




Circuitos de carbono que desaparecen en el grafeno, podrían tener usos en seguridad biomédica.

publicado a la‎(s)‎ 2 oct. 2015 8:54 por José Malaguera   [ actualizado el 2 oct. 2015 9:42 ]

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Escritura por haz de electrones- La figura muestra cómo los investigadores doparon la superficie del grafeno utilizando átomos de carbono. (Fuente: Fedorov Laboratorio, Georgia Tech)


En la serie de televisión "Misión Imposible", las instrucciones para la misión fueron entregadas en una cinta de audio que se destruye inmediatamente después de ser interpretada. En caso de que una nueva versión de la serie se retransmita, sus productores podrían querer hablar con el profesor Andrei Fedorov del Georgia Institute of Technology, sobre el uso de sus "circuitos de desaparición" para la entrega de las instrucciones de las misiones.

Usando átomos de carbono depositadas sobre grafeno, con un proceso de haz de enfoque de electrones , Fedorov y sus colaboradores han demostrado una técnica para la creación de patrones dinámicos en superficies de grafeno. Los patrones se podrían utilizar para hacer que los circuitos electrónicos s sean reconfigurables, que evolucionen durante un período de horas antes de desaparecer, en última instancia, cambian a un nuevo estado electrónico del grafeno. El grafeno también se compone de átomos de carbono, pero en una forma altamente ordenada.
Publicado en la revista nanoescala, la investigación ha sido apoyada principalmente por el Departamento de la Oficina de Energía de Ciencias de Estados Unidos, en colaboración con científicos del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL), con el apoyo de la Oficina de la Fuerza Aérea de Investigaciones Científicas. Más allá de lo que permite la desaparición de fabricación de circuitos, la tecnología podría ser utilizado como una forma de liberación controlada, en la que la disipación de los patrones de carbono podría controlar otros procesos, tales como la liberación de biomoléculas.



Esta imagen AFM muestra la fase del canal de conducción del grafeno después del dopaje FEBID de carbono donde se observa una diferencia clara de contraste entre el dopado tipo p  y las regiones con un dopado tipo n de carbono. (Fuente: Fedorov Laboratorio, Georgia Tech)








"Ahora vamos a ser capaces de dibujar circuitos electrónicos que evolucionan con el tiempo", dijo Andrei Fedorov, profesor en el W. Woodruff Escuela de Ingeniería Mecánica en Georgia Tech. "Se podría diseñar un circuito que funciona de una manera ahora, pero después de esperar un día para el carbono se difunda sobre la superficie de grafeno, ya no se tiene un dispositivo electrónico. Hoy el dispositivo podría hacer una cosa; mañana sería hacer algo totalmente diferente ".
El proyecto comenzó como una manera de limpiar los hidrocarburos contaminantes de la superficie del grafeno. Pero los investigadores pronto se dieron cuenta que podían utilizarlo para crear patrones, utilizando el carbono amorfo producido a través de la  "escritura" con un haz de electrones como dopante, para crear secciones con carga negativa de grafeno.

Una herramienta nanolitografía de aditivos de última generación que permite la escritura directa de dopantes de carbono en el grafeno para aplicaciones en dispositivos funcionales reconfigurables. Se espera que esta estrategia de "dopado facile" permita avanzar en la electrónica de nanomateriales de baja dimensionalidad. (Fuente: Fedorov Laboratorio, Georgia Tech)
 
Los investigadores quedaron perplejos al principi, al descubrir que sus patrones recién formados desaparecieron con el tiempo. Se utilizó mediciones electrónicas y de microscopía de fuerza atómica para confirmar que los patrones de carbono se habían movido sobre la superficie de grafeno para formar en última instancia, una capa uniforme sobre toda la superficie del grafeno. El cambio ocurre generalmente durante unas 10 horas, y en última instancia se convierte en regiones superficiales cargadas positivamente (de dopado - p) y superficies con una carga uniformemente negativos (de dopado - n) mientras se forma un dominio de unión pn intermedio en el curso de esta evolución.
"Las estructuras electrónicas cambian continuamente con el tiempo", explicó Fedorov. "Eso convierte al dispositivo en reconfigurable, sobre todo porque la deposición de carbono no se hace usando películas a granel, sino un haz de electrone,s que se utiliza para dibujar en la región donde se desea que se forme un dominio negativamente dopado."

El grafeno consta de átomos de carbono dispuestos en una red compacta. La estructura única proporciona propiedades electrónicas atractivas, que han llevado al estudio generalizado del grafeno como material nuevo, con un potencial para aplicaciones de electrónica de avanzada.

Sin embargo, el grafeno todavía consiste en átomos de carbono, y cuando los patrones se depositan en la superficie con átomos de carbono normales, comienzan lentamente la migración sobre la superficie del grafeno. La velocidad a la que los átomos se mueven alrededor de la región, se puede ajustar mediante la variación de la temperatura o mediante la fabricación de estructuras que dirigen el movimiento de los átomos. Los átomos de carbono pueden también ser "congelados" en un patrón fijo, mediante el uso de un láser, para convertirlos en grafito - otra forma de carbono.
"Hay múltiples formas de modular el estado dinámico, mediante el cambio de la temperatura, ya que controla la velocidad de difusión del carbono, dirigiendo el flujo atómico, o cambiando la fase de carbono", dijo Fedorov. "El carbono depositado a través de la deposición inducida por haz de electrones enfocado en el proceso (FEBID) está vinculada al grafeno muy libremente a través de interacciones de van der Waals, lo que hace móvil".

Más allá de las aplicaciones potenciales de seguridad,  para desaparecer circuitos, Fedorov ve la posibilidad de mecanismos de control simplificados que utilizarían los patrones de difusión y a su vez, los procesos a intervalos preestablecidos. La técnica también podría ser utilizada para medir el tiempo de liberación de productos farmacéuticos u otros procesos biomédicos.

"Se puede escribir la información en unos y ceros con el haz de electrones, utilizar el dispositivo para la transferencia de información, y luego dos horas más tarde la información habrá desaparecido", dijo. "En lugar de confiar en algoritmos de control complejos que un microprocesador ha de ejecutar, cambiando el estado dinámico o el propio sistema electrónico, su programa podría llegar a ser muy simple. Tal vez podría desencadenarse ciertos procesos activados que podrían beneficiarse de este tipo de comportamiento, en el que los estados electrónicos cambien continuamente con el tiempo ".
Fedorov y sus colaboradores han demostrado hasta ahora sólo la capacidad de crear patrones simples de dominios cargados en el grafeno. Su siguiente paso será utilizar las uniones pn para crear dispositivos que operarían por períodos específicos de tiempo.

Fedorov admite que este patrón de carbono dinámico, podría suponer un reto para los ingenieros eléctricos acostumbrados a dispositivos estáticos que realizan las mismas funciones día tras día. Pero él piensa que algunos encontrarán aplicaciones útiles para estos nuevos fenómenos.

"Hemos dado un paso fundamental en el descubrimiento y entendimiento del fenómeno", dijo. "El próximo paso será demostrar una aplicación compleja y única, que de otro modo sería imposible de hacer con un circuito convencional. Eso sería traer un nuevo nivel de espectativa ".

Songkil Kim, investigador post-doctoral en el grupo Fedorov, fue investigador principal en este trabajo con la asistencia de los estudiantes de posgrado del Tecnológico de Georgia M. Russell y M. Henry. Otros colaboradores en el proyecto incluyen SS Kim, RR Naik, y AA Voevodin del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de Estados Unidos y SS Jang, y VV Tsukruk de la Escuela de Ciencia de los Materiales e Ingeniería en Georgia Tech.

Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía (DOE), la Oficina de Ciencia, Energía de Ciencias Básicas (BES), bajo adjudicación DE-SC0010729 y por la Oficina de la Fuerza Aérea de Investigaciones Científicas (AFOSR) a través del Centro BIONIC adjudicación FA9550-09- 1-0162. Las observaciones y conclusiones son las de los autores y no reflejan necesariamente los puntos de vista oficiales de la DOE o AFOSR.

CITA:.. S. Kim, et al, "modulación dinámica de las propiedades electrónicas del grafeno por dopaje de carbono localizado utilizando inducida haz deposición de electrones enfocado" (Nanoscale 7, 14.946-14952, 2015) http://dx.doi.org /10.1039/c5nr04063a

Noticias de Investigación
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Contacto: John Toon (404-894-6986) (jtoon@gatech.edu).
Guión: John Toon

Tecnología de 'cosecha' de Radiofrecuencia se dio a conocer en el Reino Unido.

publicado a la‎(s)‎ 2 oct. 2015 8:06 por José Malaguera

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Una tecnología de recolección de energía que sus desarrolladores dicen, va a ser capaz de convertir las ondas de radiofrecuencia del entorno en electricidad, utilizable para cargar dispositivos de baja potencia, se dio a conocer en Londres.

El ex ministro de Ciencia británico Lord Paul Drayson lanzó el "FREEVOLT" en un teatro en el Royal Institution,  pionera del electromagnetismo, donde Michael Faraday pronunció sus conferencias en el siglo 19.

Drayson demostró que la energía creada por las señales de los teléfonos móviles utilizados por los asistentes a la presentación podía ser utilizada para alimentar un altavoz en la sala de conferencias.

La tecnología FREEVOLT tiene una antena multibanda y un rectificador, que convierte la corriente alterna en corriente continua y es "capaz de absorber la energía de múltiples bandas de frecuencia de radio," sus desarrolladores de Technologies Drayson y el Imperial College de Londres, lo plantean en un comunicado .

"Las empresas han estado investigando cómo cosechar energía RF de Wi-Fi, redes celulares y difundidas por muchos años", dijo Drayson.

"Pero es difícil porque sólo hay una pequeña cantidad de energía para la cosecha", dijo.

John Batchelor, profesor de tecnología de antenas en la Universidad de Kent, dijo a la AFP: "La idea no es demasiado exagerada, y estoy seguro de que va a mejorar."

"El problema de esta tecnología es que la energía disponible se puede  variar aleatoriamente, subir o bajar, y esto va a pasar con las frecuencias de radio", añadió.

Batchelor también cuestionó que el uso de la tecnología pudiera afectar las señales de teléfonos móviles, aunque dijo que el bajo nivel de la cosecha utilizada por FREEVOLT hace esto improbable.

"Si se cosecha demasiada energía a partir de radio ondas, se podría pensar que se trata de un robo, sin embargo, lo que se está tratando es comparátivamente, como dejar caer una esponja en el mar,  esto tendrá un efecto despreciable en el equilibrio del sistema natural."

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