Este Departamento diseña y desarrolla nuevos materiales y dispositivos para aplicaciones energéticas y medioambientales, abarcando síntesis de aleaciones, hidruros metálicos y complejos, materiales cerámicos y materiales compuestos. También contribuye con la formación de recursos humanos y aporta a la resolución de problemas de la industria local.

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Quienes somos

El Departamento Fisicoquímica de Materiales inició sus actividades progresivamente durante la década de 1980, modificando en varias instancias su categoría y dependencia pero manteniendo siempre el nombre de Fisicoquímica de Materiales y los objetivos planteados. Originalmente enfocado en el estudio teórico y experimental de la termodinámica de materiales de interés nuclear, fue luego involucrándose en nuevas temáticas por interés de CNEA o la posibilidad de captación de recursos externos a la misma, aprovechando las habilidades de quienes fueron sus integrantes a lo largo del tiempo.

Así, en el inicio de los 90 el campo principal de investigación se encontraba en el estudio de materiales desde el punto de vista fisicoquímico, termodinámico y cinético, y el modelado y simulación de los mismos en distintas escalas. Luego, con las técnicas y facilidades experimentales desarrolladas se incursionó en el estudio de materiales y su reacción con hidrógeno, tanto para análisis de degradación de las propiedades mecánicas como para almacenamiento de hidrógeno en hidruros, como vector energético.

Poco antes del año 2000 se incorporaron investigadores y estudiantes especialmente del área experimental, con lo que se intensificó la preparación de materiales formadores de hidruro, su caracterización básica y de reacción con hidrógeno, el estudio experimental del deterioro de sus propiedades mecánicas, el diseño y construcción de equipos de laboratorio para realizar estas investigaciones.

La última década se ha caracterizado por un incremento sustancial de estas actividades experimentales con la incorporación de nuevas técnicas de preparación de materiales, más equipos para caracterización de los mismos, la inclusión de nuevos campos de aplicaciones con materiales formadores de hidruros como la producción, purificación y compresión de hidrógeno, y el uso de los mismos tanto en dispositivos a escala laboratorio como para resolución de problemas de la industria nuclear, constituyendo finalmente con todo esto un importante grupo de trabajo en el tema general de la interacción del hidrógeno con los materiales.

Actividades que se realizan

• Almacenamiento de hidrógeno para aplicaciones energéticas

  • Investigación sobre materiales formadores de hidruros basados en metales, aleaciones metálicas o hidruros complejos.
  • Síntesis, caracterización y desarrollo de nuevos materiales formadores de hidruros para aplicaciones móviles (medios de transporte) o estacionarias (viviendas rurales).
  • Estudio de las propiedades termodinámicas (presión y temperatura de operación) y cinéticas (velocidad de formación y descomposición de los hidruros).
  • Agregado de catalizadores, desestabilización del sistema mediante la formación de un producto estable, reducción de la microestructura a escala nanométrica (nanoconfinamiento), y modificación de la microestructura y/o superficie mediante métodos de síntesis innovadores.
  • Evaluación en materiales desarrollados de las propiedades termodinámicas, cinética durante el proceso de carga y descarga de hidrógeno en condiciones experimentales similares a las de la aplicación tecnológica y análisis de la degradación por ciclado.
  • Modelado del sistema y diseño de prototipos para la aplicación en cuestión.

• Cálculos ab-initio de materiales para almacenamiento de hidrógeno. Dinámica molecular para problemáticas nucleares en materiales

  • Predicción de propiedades estructurales y termodinámicas de materiales mediante el modelado a escala atómica.
  • Evaluación de energías y entropías vibracionales, parámetros de celda, módulos de compresión y densidades de estado electrónicas.

• Captura selectiva de dióxido de carbono y transformación a productos de interés industrial

  • Pruebas en materiales de interés, como grafeno y carbonos amorfos funcionalizados y/o dopados, como también óxidos mixtos que incluyen metales alcalinos o alcalino-térreos.
  • Síntesis de materiales utilizando estrategias específicas para favorecer la interacción con dióxido de carbono.
  • Estudio de los mecanismos controlantes para modificar el material a emplearse en el reactor para proceso industrial específico.
  • Estudio de conversión de dióxido de carbono en productos de valor agregado, como metano y metanol.
  • Diseño de catalizadores heterogéneos y sistemas hidruros multicomponentes capaces de convertir dióxido de carbono en combustibles mediante una reacción Fischer-Tropsch.
  • Evaluación del mecanismo de reacción operante en diferentes condiciones experimentales.

• Desarrollo de aleaciones con memoria de forma para amortiguadores

  • Investigación en materiales pseudoelásticos basados en los sistemas cobre-zinc-aluminio (CuZnAl) y hierro-manganeso-aluminio-níquel (FeMnAlNi).
  • Desarrollo de amortiguadores para grandes estructuras, como edificios o puentes.

• Desarrollo de técnicas y equipos para caracterización de materiales y componentes en su reacción con hidrógeno

  • Desarrollo de la técnica de neutrografía en el reactor experimental RA6.
  • Obtención de imágenes de dispositivos almacenadores de hidrógeno en base a hidruros, y del proceso de desorción del gas mediante neutrografía.

• Desarrollo y estudio de aleaciones para reactores de fisión.

  • Estudio y desarrollo de aleacione basadas en el sistema hierro-cromo-aluminio (FeCrAl) para vainas de combustibles nucleares resistentes a condiciones accidentales.
  • Preparación de las aleaciones por fundición en horno de arco, caracterización microestructural y mecánica de estos materiales, y estudio de posibles modificaciones composicionales para mejorar sus propiedades en servicio.
  • Desarrollo de materiales con propiedades especiales en cuanto a conductividad térmica, estabilidad dimensional bajo irradiación y resistencia a la fluencia a elevadas temperaturas, tales como los aceros endurecidos por dispersión de óxidos (ODS, por su sigla en inglés).

• Estudio y adecuación de aleaciones formadoras de hidruros para aplicaciones tecnológicas

  • Preparación, caracterización y uso de aleaciones de la familia AB5 para utilizarlas en diferentes aplicaciones aprovechando propiedades particulares de su reacción con hidrógeno.

• Membranas base paladio para separación de hidrógeno de mezclas

  • Estudio del comportamiento de distintas membranas mediante el diseño de técnicas de caracterización y equipos a dispositivos para separación de hidrógeno de uso industrial.
  • Colaboración con investigadores del diversos institutos.

• Producción de hidrógeno a partir de biomasa

  • Estudio y mejoramiento de catalizadores para la producción de hidrógeno a partir de mezclas etanol/agua, alta actividad y selectividad a hidrógeno, con buena estabilidad luego de prolongadas horas de empleo.

• Reproductores de tritio para reactores de fusión

  • Síntesis de un cerámico de litio, conformación del material en forma de pebbles
  • Estudio de la estabilidad fisicoquímica, térmica y mecánica del material con la temperatura y la composición de la atmósfera simulando condiciones de operación (temperatura, atmósfera, irradiación neutrónica).
  • Estudio de los procesos controlantes durante la liberación de hidrógeno (y sus isótopos) a partir de cerámicos de litio que han sido sometidos al bombardeo con iones y/o neutrones de diferentes energías.

• Reutilización de residuos de la industria nuclear

  • Puesta a punto del proceso de reciclado de virutas desarrollado por nuestro grupo y evaluar la aplicabilidad del mismo en condiciones de planta.
  • Se analiza la posibilidad de extender dicho proceso para producir otras aleaciones base Circonio a partir de las virutas de zircaloy.

Equipamiento

• Analizador Automático de Fisiosorción

  • Isotermas de adsorción física utilizando N2 u otro gas no corrosivo como adsorbato.
  • Líneas de gases independientes para desgasado y análisis de muestras, y su operación es muy versátil, permitiendo amplios rangos de tiempos de desgasado y velocidades de calentamiento.

• Sistema para análisis termogravimétrico

  • Opera entre temperatura ambiente y 800 °C, y a presiones desde vacío (bomba turbomolecular) hasta 50 bar.
  • Puede manejar tres gases simultáneamente, mediante la operación de controladores de flujo, y permite además la utilización de vapores de sustancias orgánicas durante las mediciones.

• Sistema automático de caracterización de materiales (TPR, TPO y otros)

  • Cuenta con controladores de flujo másico para asegurar alta precisión en el control de los gases, detector de conductividad térmica con filamento de oro, cuatro compartimentos internos de temperatura controlada, generador de vapor, y capacidad de análisis a temperaturas sub-ambiente.

• Espectrofotómetro infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR)

  • Posee fuente MID/Far IR, amplio rango KBr, beamsplitter optimizado, detector DTGS y MCT y software para control del instrumento.
  • Se cuenta además con celdas de diseño propio.

• Facilidades para síntesis de Materiales

  • Equipamiento para síntesis de materiales por molienda mecánica y por vía química por diferentes rutas (sólido-sólido, gas-sólido, líquido-sólido, etc.). Estas técnicas permiten el diseño y desarrollo de nuevos materiales funcionales, ensamblaje de sistemas a nanoescala, nanoconfinamiento, etc. Incluye técnicas de síntesis sin disolvente, usando disolventes benignos, catálisis heterogénea, etc.

• Cajas de guantes de atmósfera controlada (dos modelos diferentes)

  • Manipulación de materiales sensibles a la atmósfera (hidruros, metales finamente divididos, sustancias higroscópicas, etc.), bajo condiciones controladas de humedad y oxígeno (<5 ppm).
  • Poseen antecámaras de ingreso, sensores de oxígeno y humedad, sistema de circulación de gases en lazo cerrado, y trampas para la purificación de los gases. Dispone además de un sistema de regeneración de trampas automático y programable.

• Equipo de difracción de RAYOS X

  • Empleado para el estudio estructural y microestructural de materiales policristalinos (método de polvos) en geometrías de reflexión o transmisión. A través de esta técnica es posible obtener información cualitativa y cuantitativa de las fases presentes en un material, sus estructuras cristalinas, tamaños de cristalita, microdeformaciones, etc.

• Equipos volumétricos (diseño propio)

  • Medición de la cantidad de gas (hidrógeno, CO, CO2, etc.) que es incorporada o liberada por un material a una dada temperatura, en condiciones de equilibrio o cinéticas.
  • Pueden trabajar en un rango de presiones desde vacío (bomba mecánica) hasta 60 bar, y temperaturas desde ambiente hasta 600 °C, y están manejados por software de adquisición de datos y control de diseño propio.

• Cromatógrafo de Gases (GC) modificado

  • Cuenta con un sistema en paralelo de dos columnas y dos detectores (FID y TCD), válvula de 6 puertos de aislación en cada columna y control electrónico automático de los puertos de inyección.

• Microscopio de barrido de doble haz (SEM-FIB)

  • Se trata de un equipo versátil que puede funcionar como un microscopio de barrido estándar y como estación de microfabricación. Por una parte, permite la caracterización de superficies de materiales metálicos y cerámicos, tamaño de partículas, tamaño de poros, superficies de fractura, desgaste, distribución de granos, defectos superficiales, entre otros. Su modo de trabajo de bajo vacío permite utilizarlo para caracterizar estructuras no conductoras sin necesidad de metalizado. Por otra parte, el equipo cuenta con un haz adicional de iones que permite realizar cortes y micromaquinado de muestras en forma simultánea con su observación.
    El equipo cuenta con detectores de electrones secundarios, electrones retrodispersados y rayos X dispersivo en energía (EDS). También posee limpiador por plasma interno, nanomanipulador y sistema de inyección para 5 gases precursores distintos.

• Calorímetro diferencial de barrido (DSC)
  Equipo de análisis térmico por calorimetría diferencial de barrido, tipo flujo de calor. Permite trabajar en el rango -80°C a 550°C en flujo de distintos gases. Se cuenta con la posibilidad de medir en modo MDSC (modulated differential scanning calorimetry) o en alta presión (hasta 70 bar).