En este proyecto proponemos continuar con el estudio de nanoestructuras unidimensionales en forma de películas y electrodos tridimensionales. Los nanotubos tienen propiedades físicas y químicas excepcionales que están íntimamente relacionadas con su estructura geométrica altamente anisotrópica. En estos materiales, las propiedades semiconductoras son las más sensibles a los fenómenos de aglomeración y orientación, convirtiéndose en temas importantes de investigación en los últimos cinco años. En este contexto, proponemos utilizar el movimiento de fluidos bajo diferentes condiciones de trabajo e incidir en la dispersión, alineación y penetración en poros de las nanoestructuras. Nuestra investigación acerca de películas de nanoestructuras unidimensionales ha contemplado a la fecha materiales que han sido depositados en forma desordenada y cuyas propiedades han resultado promisorias en aplicaciones que van desde electrodos para el almacenamiento de energía y conversión fototérmica/fotovoltaica, hasta sensores y películas fotocatalíticas aplicables en monitoreo y remediación ambiental. Proponemos avanzar en nuestra investigación incluyendo métodos de alineación/penetración de estructuras unidimensionales por el uso de fuerzas centrífugas durante el secado en ambientes de supergravedad. Suponemos que esto ayudará a la impregnación de electrodos y membranas porosas, así como a la dispersión y orientación de nanotubos por los efectos dinámicos de fluidos e interfaces. Contamos con una centrífuga cuyo diseño permite la fácil automatización y monitoreo mediante cámaras de video y trazadores, y estamos familiarizados con varias técnicas físicas y químicas de litografía y recubrimiento. En este proyecto el objetivo final es la generación de substratos electroconductores con alta dispersión y orientación de nanoestructuras (nanotubos de carbono, TiO2 y Bi2S3), así como la impregnación/elaboración de electrodos mesoporosos (membranas de TiO2 y aerogeles de carbono) con las estructuras unidimensionales . Proponemos la combinación de métodos químicos y físicos, el uso de emulsiones poliméricas, el depósito químico, electroquímico y por sol-gel en la síntesis de las nanoestructuras, así como el estudio de la influencia de la supergravedad (fuerzas centrífugas)en la estructura y propiedades de las películas y electrodos elaborados. En especial, pretendemos determinar los factores químicos y dinámicos relevantes en el comportamiento semiconductor de los materiales, así como en la capacidad de almacenamiento de carga. La estabilidad de las dispersiones (potencial Zeta, tamaño de partícula, peso molecular) y el seguimiento expedito de los cambios microestucturales ocasionados por los efectos dinámicos se hará con equipo recién adquirido en proyectos relacionados. Se solicita apoyo para la compra de accesorios y consumibles, así como para mantenimiento y refacción de equipos mayores. Además de la investigadora responsable (Fisicoquímica/Materialista), participa un colega del CIE con probada experiencia en dinámica de fluidos, una Profesora del Instituto Tecnológico de Zacatepec en el área de Electromecánica y una Profesora de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos en el área de Corrosión en estancia Sabática en el CIE. En este momento contamos con el apoyo de 4 estudiantes de doctorado, un estudiante de maestría y la probable incorporación de varios estudiantes de licenciatura. La vinculación internacional con investigadores franceses se hará en la línea de nanocarbones para el almacenamiento electroquímico de energía y remediación ambiental, por lo que contaremos con infraestructura complementaria en la caracterización de materiales y electrodos

En el anterior proyecto de DGAPA (por concluir en el 2008), propusimos evolucionar el diseño de una interfaz plana hacia sistemas tridimensionales con interfaz difusa o volumétrica. Nuestro objetivo fue diseñar sistemas semiconductores tridimensionales basados en películas mesoestructuradas de nanotubos de carbono. Trabajamos con métodos de química suave modificados con surfactantes poliméricos para controlar la mesoporosidad y geometría de matrices inorgánicas. Estudiamos las propiedades de los nanocarbones en matrices inorgánicas tales como los óxidos moleculares (polioxometalatos) y los poliméricos (sol-gel), encontrando sinergias relacionadas con mayor área activa y/o electroactividad en aplicaciones de supercapacitores, sensado y remediación ambiental. Así mismo, reportamos el efecto de la presencia de interfaces p-n en la respuesta final del nanotubo de carbono hacia diferentes adsorbatos. Como resultado de los logros obtenidos, dos proyectos relacionados con el uso de polioxometalatos y nanocarbono en almacenamiento de energía, fueron sometidos y ganados en convocatorias de CONACYT y DGAPA por las investigadoras asociadas participantes. En la presente propuesta de investigación, quiero expandir los estudios de sistemas semiconductores tridimensionales basados en películas mesoestructuradas de nanotubos, imponiendo orden en el depósito de las películas (alineación horizontal y vertical de los nanotubos) en ambientes de supergravedad. Así mismo, quiero incluir el estudio de nanotubos inorgánicos como TiO2 y Bi2S3, además de los nanotubos de carbono, en las aplicaciones de interés al CIE (energía y medio ambiente). Sin duda, la orientación de las moléculas se ha convertido en la meta a lograr en la fabricación de electrodos y películas nano y mesoestructuradas. Los métodos de alineación de estructuras unidimensionales por los efectos dinámicos de fluidos e interfaces, es un tema que inciamos recientemente en el CIE-UNAM. Contamos con una centrífuga que puede lograr un aumento en la fuerza de gravedad por un factor de trece, además de que su diseño permite la fácil automatización y monitoreo mediante cámaras de video y trazadores, de manera que se pueden provocar flujos externos y conseguir algunas variaciones interesantes de campo de velocidades. La probable separación de los nanotubos por diferencias en densidad respecto al fluido que los contiene, y de arrastre por diferencias en rigidez y geometría, se verá magnificada bajo la acción de una centrífuga, donde la fuerza está expresada como el producto de la densidad relativa por la suma de aceleración centrífuga y aceleración de gravedad. Proponemos retomar los resultados más relevantes de los sistemas unidimensionales que hemos estudiado y compararlos con los obtenidos bajo la influencia de las fuerzas centrífugas. Para ello proponemos profundizar en la texturización química de substratos y en la preparación fisicoquímica de emulsiones de nanotubos. Por texturización química entiendo el uso de casting, micromoldeo y fabricación de plantillas porosas. Así mismo, proponemos efectuar un estudio sistemático de las condiciones dinámicas que inciden en la dispersión, orientación y penetración en poros de las estructuras de interés. Los nuevos estudiantes y la investigadora en estancia sabática tienen temas de investigación acordes con los objetivos del proyecto, además de que los estudiantes por graduarse en el 2009 contribuirán en el arranque del mismo: 1) Germán Alvarado Tenorio (MIMIC-nanotubos de carbono), Doctorado en Ingeniería-Energía, UNAM; 2) Mauricio Solís (TiO2/nanotubos de Bi2S3), Maestría en Ingeniería-Energía, UNAM; 3) Alfredo Silverio Ordeñana (Aerogel de carbono-nanotubos de carbono), Doctorado en Ingeniería-Energía, UNAM; 4) Marciano Sánchez Tizapa (TiO2/nanotubos de carbono), Doctorado en Ingeniería-Energía, UNAM; 5) Susana López Ayala (Membranas catalíticas de TiO2-CuxO), Doctorado en Ingeniería-Energía, UNAM; 6) Cecilia Cuevas (Membranas de TiO2 por anodización), Investigadora de la UAEM en estancia sabática. Aunque no lo menciono de manera explícita, continuaré la colaboración con colegas nacionales e internacionales (Dras. Hailin Zhao Hu, Margarita Miranda, Dr. Ricardo Guirado, etc.) e iniciaré nuevas colaboraciones: Prof. Beguin (Francia), Dra. Minerva Vargas (ITZ-México), Dra. Cecilia Cuevas (UAEM-México), Dr. Eduardo Ramos (CIE-UNAM).