Maestría en Ciencias - Física

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Comparación de la caracterización entre panel de silicio policristalino optimizado con placa superficial modificada geométricamente Vs. La Teja Solar CIGS
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Posada Posada, Sebastián; Vargas Hernandez, Carlos; Propiedades Ópticas de Materiales
La presente tesis aborda el desafío de optimizar la eficiencia en la captación y conversión de energía solar en sistemas fotovoltaicos, un tema de gran relevancia debido a sus profundas implicaciones económicas y ambientales. En un mundo que avanza hacia fuentes de energía sostenibles, la implementación de tecnologías innovadoras cobra protagonismo. En este contexto, se presenta la Tolva Óptica con Índice de Refracción Específico como una solución clave para mejorar la competitividad y desempeño del sector solar. El eje central de esta investigación es el desarrollo y análisis del Optimizador de Captación de Radiación Solar: Tolva Óptica, un dispositivo diseñado para concentrar eficientemente la radiación solar mediante la manipulación precisa de la luz, aprovechando un índice de refracción específico. Este enfoque no solo permite mitigar las pérdidas de energía por reflexión en los paneles solares, sino que también mejora sustancialmente la eficiencia de las celdas fotovoltaicas al redirigir la radiación hacia las áreas activas de captación. La tolva óptica, propuesta en una geometría piramidal inversa, destaca como una alternativa innovadora debido a su capacidad de concentración óptica superior, su facilidad de instalación y su mantenimiento simplificado. A través de un análisis riguroso, esta tesis profundiza en los fundamentos físicos que rigen la interacción de la luz con la estructura de la tolva, abordando la trayectoria, incidencia y comportamiento de la radiación dentro del dispositivo. Además, se detalla cuidadosamente la selección de las dimensiones y la geometría óptima que maximizan el rendimiento energético del sistema. Este trabajo, enmarcado en un enfoque integral, no solo contribuye a la optimización de sistemas fotovoltaicos convencionales, sino que también abre nuevas posibilidades para su aplicación en arquitecturas solares más versátiles, como paneles con celdas espaciadas, utilizados en ventanas o techos. En este sentido, la tolva óptica se posiciona como una herramienta estratégica para impulsar la transición hacia un modelo energético más eficiente, sostenible y accesible (Texto tomado de la fuente).
Quantum classification strategy based on the Spin Paradigm
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Riascos Moreno, Carlos Alberto; Restrepo-Parra, Elisabeth; Alvarez-Meza, Andres
Recently, quantum computing (QC) has demonstrated, compared to classical computing, advantages in the speed of information processing. These advantages are due to the fact that QC allows information to be processed using superposition and entanglement, phenomena specific to the quantum regime. A QC sub-area that competes with its classic counterpart, showing better results in data processing, is quantum machine learning (QML). This subtype allows for the performance of machine learning (ML) tasks using quantum processors (QP), which improves speed and results compared to classical ML. Among the various tasks of QML is supervised learning, which allows for solving classification problems by involving classical data and enhancing it with QC. This enhancement lies in the ability to embed classical data within quantum spaces and process them. There are very popular platforms for QC, such as superconductors, trapped ions, and photons, among others. Additionally, there are other platforms still in an early stage, such as electronic spins. Despite this, electronic spins have demonstrated excellent capabilities in information processing and are being widely studied for QC. QML experiments have been conducted on each of these platforms, with surprising results. Although each platform has its advantages and disadvantages, performing QC (and therefore QML) with spines has some significant advantages, such as speed in processing, the support of the semiconductor industry that would allow scalable quantum computing, and the ability to implement surface codes for quantum error correction. However, the QC with spins is at an early stage, at which the amount of QC resources is limited. In addition, the noise and lack of isolation of qubits induce errors in the processing of information. For this reason, the study of QML algorithms for classification tasks using electronic spines as a platform should take into account coherent noise (noise from control signals) and quantum noises (interactions with the environment) to propose training conditions that enable the development of noise-resistant algorithms, delivering the best possible results with the minimum amount of computing resources. This study introduces a novel QML-based simulation framework that employs electronic spines as qubits to tackle classification tasks. It also uses the data re-uploading (DRU) method, which shows that it can universally approximate discrimination functions with just one qubit. This technique allows for the assessment of classification performance in non-ideal QC con ditions. For the study of spin classification using DRU, our approach is threefold. First, we propose a transitioning scheme from a gate (high) to a pulse (low) level within a spine-based classification task to transpile DRU’s original high-level compounds into native composites, e.g., x − z axis rotation and SWAP interactions. Second, we introduce an error simulation strategy, modeling both coherent and quantum-environmental noise interactions. Third, we conducted a loss-based comparison analysis of our approach implemented on a spin-based platform to test different training conditions and hyper-parameter variation regarding the attained classification performance. Experimental results using one, two, and four spin qubits demonstrate that our framework for simulating a quantum classifier using the DRU technique allows for achieving aceptable quantum fidelities. As far as we know, this is the first spine-based QML-classification simulation that looks at how external magnetic field pulses can be used to control each qubit and how the processor’s topology lets qubits close together interact with each other. Hence, a dynamic simulation is carried out, incorporating coherent noise (Gaussian noise in the control signals) and dissipation operators to illustrate the loss of coherence of qubits. The latter allows for more realistic classification performance studies, surpassing those conducted at the gate-level in the current state-of-the-art. Also, we utilize area under the curve (AUC)-based quantitative assessments to account for various loss functions during training. The results showed that losses based on Von Neumman and Renyi divergences achieve the most prominent performance in terms of spine QML classification capability and noise resistance. Future work aims to implement more realistic simulations that incorporate identity gates (I) using external magnetic pulses, allowing them to be placed in the algorithm locations where they are implicitly positioned at the gate level. Additionally, both coherent and quantum noise models that are more suitable for the spin platform will be developed, instead of the generic noise sources used in this work. Finally, it would be beneficial to propose training strategies that enable the system to learn the error conditions that the processor may encounter. For example, in training tests, using gates that cause random displacements or depolarizing channels could improve the ratings by accurately capturing the mistakes that the quantum processor would make after training (Texto tomado de la fuente).
Estudio del comportamiento magnetoeléctrico y térmico del sistema de la aleación tipo Heusler Ni42Co8Mn39Sn11-XGeX con x = 0, 1, 2, 3, preparada por el método de melt-spinning
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Jaimes Gómez, Diana Catalina; Rosales-Rivera, Andrés; https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001664195; Jaimes Gómez, Diana Catalina [0000-0002-4038-7057]; Magnetismo y Materiales Avanzados
En esta tesis se estudió la influencia del germanio sobre el comportamiento magnetoeléctrico y térmico del sistema de aleaciones Heusler, en forma de cinta Ni42Co8Mn39Sn11-xGex para x = 0, 1, 2, 3 (% at.). El comportamiento magnetoeléctrico fue estudiado por medio de la resonancia de una pequeña bobina, por la cual, circula una corriente A.C. El rango de campo utilizado para el primer modo de medición (frecuencia constante) fue de -74 a 74 Oe para las siguientes frecuencias F = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 15 y 20 MHz. El rango de frecuencia utilizado para el segundo modo de medición (campo magnético DC constante) fue de 0 a 30 MHz para los siguientes campos HDC = 0, 1.1, 2.5, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 70 y 74 Oe. Se observó que las muestras presentan picos característicos, los cuales, se relacionan con el fenómeno de anisotropía longitudinal para las muestras de Ni42Co8Mn39Sn11 y Ni42Co8Mn39Sn10Ge1 y un comportamiento inductivo dado por la medición del ángulo. Se observó que las muestras presentan el fenómeno de resonancia. Se determinaron las componentes real e imaginaria de la impedancia y se observó que estas en función de la frecuencia angular conservan la resonancia. Además, en la componente real de la impedancia se observó un comportamiento relacionado con los diodos Gunn o Túnel. Se determinaron los parámetros para el circuito equivalente asociados a las muestras mediante la técnica experimental de magneto-impedancia. El pico y el cambio de fase en la resonancia son más evidentes en las muestras Ni42Co8Mn39Sn11 y Ni42Co8Mn39Sn10Ge1. El análisis térmico por calorimetría de barrido diferencial refleja que el sistema presenta una transformación estructural a martensita. Por medio de medidas de análisis termogravimétrico en presencia de un pequeño campo magnético, se observó una transición de fase magnética ferromagnética a paramagnética en todas las muestras, además, se asoció que las fases magnéticas de ferromagnetismo a paramagnetismo se deben a la estructura austenita para las muestras de Ni42Co8Mn39Sn9Ge2 y Ni42Co8Mn39Sn8Ge3. Se analizaron los posibles mecanismos físicos que están presentes en el comportamiento térmico y magnetoeléctrico de este sistema de aleaciones (Texto tomado de la fuente).
Paleomagnetismo en la Provincia Volcano-tectónica San Diego – Cerro Machín
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Gómez Colonia, Luis Felipe; Mejía Bernal, Victoria
Se llevó a cabo un estudio paleomagnético al noroeste del Volcán Nevado del Ruiz, que abarcó 17 sitios, representando domos y flujos de lava. Se realizaron análisis de desmagnetización termal y por campo alterno, susceptibilidad magnética vs temperatura, curvas de histéresis, magnetización remanente isotermal y campo inverso, y anisotropía de susceptibilidad magnética (AMS). Los resultados del análisis direccional fueron interpretables para 13 sitios, evidenciando 7 con polaridad normal y 4 con polaridad inversa, en concordancia con las edades asignadas en estudios previos (<45 ka a 1.97 Ma) relacionadas con el cron Brunhes (7 sitios) y Matuyama (4 sitios). Adicionalmente, 2 polaridades intermedias también fueron encontradas. Los análisis de susceptibilidad versus temperatura revelaron dos rangos de temperaturas de transición: de 300°C a 350°C y de 400°C a 550°C. Estos indicaron la presencia de una (8 sitios) o dos (8 sitios) fases mineralógicas, consistentes con la presencia de titanomagnetitas y/o titanohematitas. Las curvas irreversibles indicaron la presencia de maghemita y titanomaghemita en sitios afectados por actividad hidrotermal, originada al sureste del segmento Termales de la falla Villamaría – Termales. Los resultados de AMS de 14 sitios proporcionaron información valiosa sobre las condiciones de emplazamiento de la lava, con anisotropía planar, indicando el plano de un flujo de lava (elipsoide oblado, 4 sitios), y anisotropía triaxial (7 sitios) y lineal (elipsoide prolato, 3 sitios), indicando la base de un domo y la parte alta de un domo o un flujo de lava, respectivamente (Texto tomado de la fuente)
Estudio teórico y computacional de la formación de películas delgadas de nitruros y carburos metálicos
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Ortiz González, Angel Santiago; Restrepo-Parra, Elisabeth; Amaya-Roncancio, Sebastian; Ortiz González, Angel Santiago [https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001824074]; Ortiz González, Angel Santiago [0000-0003-4304-9894]; Pcm Computational Applications; Ortiz González, Angel Santiago [58632146200]
A través de simulaciones implementadas bajo el método de Montecarlo Cinético (KMC), se genera un modelo multiescala para describir el crecimiento de películas delgadas de CrN, ZrN, Cr y W. Para determinar el papel de los procesos de adsorción, difusión, energías de enlace, en bulk, clúster y superficie de los mencionados elementos, sobre la evolución de la textura de películas delgadas bajo parámetros experimentales. La simulación de crecimiento se basa en estructuras rígidas tipo FCC monocristalinas. Se implementan variaciones en la temperatura y disponibilidad de los elementos dentro del proceso de adsorción presentados gráficamente. A su vez, se emplearán cálculos numéricos basados en Teoría del Funcional de la Densidad Electrónica (DFT), para obtener los parámetros energéticos y estructurales requeridos por el modelo KMC. El crecimiento de la morfología dependiente del tiempo, es analizado con los parámetros de rugosidad (RMS) y la densidad de partículas por capa. De esta forma, se busca una comprensión detallada de los procesos atomísticos que controlan la evolución de la textura de los materiales mencionados.
Diseño y elaboración de un filtro a base de arcilla y carbón activo usando almidón de bore (alocasia macrorrhiza) como floculante para la purificación de agua de nacimiento proveniente de la vereda Sipirra del municipio de Riosucio Caldas
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Ramírez Hernández, Ebelin Daniela; Pineda Gomez, Posidia; Magnetismo y Materiales Avanzados
El constante deterioro de los ecosistemas y de las fuentes hídricas como recurso para abastecimiento de agua, ha llevado a la búsqueda de nuevos procesos y técnicas de potabilización que sean de bajo costo y con las cuales se pueda obtener agua segura con el menor riesgo posible de afectaciones a la salud. El objetivo de esta investigación fue potabilizar agua de nacimiento mediante la elaboración de un filtro a base de arcilla y carbón activado, previo tratamiento de floculación con almidón de bore (Alocasia Macrorrhiza), con el fin de mejorar la calidad de vida de los habitantes de la vereda Sipirra del municipio de Riosucio Caldas. Para lograr el objetivo de la investigación se modificó el almidón mediante acetilación y se realizaron pruebas de jarras para determinar la dosis adecuada de floculante y así lograr la remoción de turbidez y color del agua. Además, se fabricó un prototipo de filtro a partir de una vasija de arcilla elaborada artesanalmente y carbón activado granular que se dispusieron en un tanque por el cual se pasó el agua que había sido tratada previamente con el almidón de bore modificado. También se planteó realizar caracterizaciones de los diferentes elementos a utilizar en la investigación, como lo son el agua antes y después del tratamiento, el almidón nativo y modificado, mediante, Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), Difracción de rayos x (XRD), Microscopia electrónica de barrido (SEM), Análisis termo gravimétrico (TGA) y Calorimetría diferencial de barrido (DSC). Finalmente se estableció que el almidón de bore es un buen floculante, ya que se logró remover la turbidez del agua en un 41%, además de que el uso del filtro de arcilla y carbón activado es efectivo en la eliminación de bacterias nocivas para el ser humano; por lo que el agua obtenida cumple con lo estipulado en la resolución 2115 del 2007, donde se establecen los parámetros y lineamientos básicos para la determinación del agua potable (Texto tomado de la fuente)
Simulación Monte Carlo de nanopartículas magnéticas de magnetita
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Londoño Navarro, Juanita; Restrepo-Parra, Elisabeth; Pcm Computational Applications
Las nanopartículas han sido ampliamente estudiadas y empleadas en la comunidad científica y en la industria por sus innumerables aplicaciones. Los estudios computacionales reportados en la literatura se han enfocado en estudiar nanopartículas aisladas o sistemas de nanopartículas, separando ambos escenarios en diferentes modelos. En esta tesis de maestría se planteó la unificación de ambos modelos: desde un escenario atomístico donde las nanopartículas se simularon individualmente se emplearon los resultados obtenidos como datos de entrada para simular sistemas de nanopartículas magnéticas. Adicionalmente, se estudiaron las propiedades magnéticas de los sistemas de nanopartículas al variar su distribución de tamaños y la concentración de partículas. En el escenario atomístico, se modelaron y simularon nanopartículas individuales de Magnetita de diferentes tamaños empleando el método Monte Carlo, el modelo de Heisenberg clásico y el algoritmo Metropolis con el fin de estudiar los efectos de la temperatura, el campo magnético y el tamaño en las propiedades magnéticas de las nanopartículas. Para el estudio de los sistemas de nanopartículas se empleó el método Monte Carlo, el modelo de Heisenberg clásico y el algoritmo Metrópolis para estudiar la influencia de la concentración y la distribución de tamaños. A partir de los resultados obtenidos del estudio de la concentración y la distribución de tamaños de los sistemas, se pudo detallar que la respuesta magnética de estos sistemas es mayormente gobernada por la temperatura, variables como la concentración de partículas y el campo magnético aplicado toman una influencia secundaria dado que sus efectos son bastante notorios a bajas temperaturas y se evidencian levemente con el aumento de la temperatura. Adicionalmente, se encontró una mejor respuesta magnética para valores más pequeños de la desviación estándar en los sistemas de nanopartículas, debido a la presencia de nanopartículas más grandes dentro de los sistemas que presentan menores desviaciones. Finalmente, se encontró una marcada diferencia con el modelo principal reportado en literatura para la simulación de sistemas de nanopartículas, puesto que este no toma en cuenta variables como la temperatura y el campo magnético externo aplicado para la obtención de los valores de magnetización total de las nanopartículas (Texto tomado de la fuente)
Estudio de las propiedades eléctricas de materiales magnéticos basados en fe por medio de los modelos de Debye y Cole-Cole
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Clavijo Ceballos, Manuel Alejandro; Rosales Rivera, Andres; Clavijo Ceballos, Manuel Alejandro [0001636283]; Magnetismo y Materiales Avanzados
En esta tesis se presenta un estudio de las propiedades de impedancia y función dieléctrica de los vidrios metálicos Fe70Nb10B20 y [(Fe50Co50)75B20Si5]96Nb4mediante el uso de la resonancia ferromagnética de una pequeña bobina. Para este fin la muestra se colocó dentro de la bobina pequeña y éste conjunto a su vez se colocó en el centro de una bobina de Helmholtz. Las medidas de impedancia se realizaron en el rango de frecuencia 0 < 30 < MHz para diferentes campos magnéticos a temperatura ambiente. El campo AC generado por el pequeño solenoide es del orden de 3 Oe RMS y el campo generado por la bobina de Helmholtz fue de HDC = 0, 5, 10, 20, 30 y 40 Oe. A partir de las medidas experimentales se determinó un circuito equivalente constituido por una inductancia principal conectada en serie con una resistencia, un capacitor y una inductancia secundaria que están conectadas en paralelo entre ellas. Además, para el tratamiento de datos experimentales se desarrolló en Matlab un algoritmo de ajuste numérico por inteligencia artificial. Se realizó un estudio estadístico del sistema de medición constituidos por bobina y (bobina y baquela), encontrando una variación de las medidas de impedancia por debajo del 1.5% en todo el rango de frecuencia utilizado, para los diferentes campos DC empleados. Inicialmente se caracterizó la respuesta de la bobina ante el campo magnético DC y la frecuencia. Se encontró que presenta el fenómeno de resonancia ferromagnética, posteriormente se usó un postamuestras constituido de baquelita que se colocó al interior de la pequeña bobina para formar el sistema (bobina y baquela). Se encontró que esta baquelita anula la resonancia ferromagnética de la bobina. Una vez caracterizado el sistema de medición se realizaron las mediciones de impedancia de los materiales anteriormente mencionados. Se encontró que ambos restituyen la resonancia ferromagnética de la bobina, lo cual refleja que ellos exhiben una resonancia natural. El circuito equivalente describe bien la respuesta de impedancia de ambas muestras en el rango de frecuencia donde se presenta la resonancia principal (0 ≤ ω ≤ 5 ∙E7 rad/s). Usando la relación entre la función dieléctrica y la impedancia se determinó un intervalo de frecuencia en donde la función dieléctrica de las muestras es descrita apropiadamente por un diagrama de Cole-Cole (2MHz ≤ f ≤ 2.9MHz) (Texto tomado de la fuente)
Estudio de las propiedades electrónicas y magnéticas del CrN dopado con Y por medio de la teoría del funcional de la densidad
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) León Pinzón, Luis Felipe; Garay Tapia, Andrés Manuel; Restrepo Parra, Elisabeth; León Pinzón, Luis Felipe [0000-0001-7293-3537]; PCM Computational Applications
Por medio de la teoría del funcional de la densidad y la aproximación GGA se realizaron estudios estructurales, magnéticos y electrónicos a diferentes estructuras cristalinas de CrN y del YN, como estructura de mínima energía, momento magnético, parámetros de red densidad de estados, y estructura de bandas con despliegue. Se evaluaron los pseudo potenciales PBE y PBesol encontrando que PBE calcula mejor los parámetro de red y los momentos magnéticos. Esto se hizo con el fin de describir sus propiedades físicas y para verificar cual pseupotencial mejora el funcionamiento de DFT en estas estructuras e implementarlo en el estudio de aleaciones. Se construyeron aleaciones solidas sustitucionales aleatorias de (Cr,Y)N por medio del método de estructuras cuasialeatorias especiales (SQS) con diferentes concentraciones de Cr. Se encontró que la mayoría de estas aleaciones cambian sus configuraciones magnéticas iniciales a configuraciones ferromagnéticas debido al cambio en el ambiente químico y por ende a la diferencia en aportes de los espines arriba y abajo. Este fenómeno es interesante para aplicaciones en espintronica. Por medio de las estructuras de bandas calculadas se encontró que las aleaciones solidas sustitucionales tienen comportamientos semiconductores o semimetalicos, y algunas con coeficientes de Seebeck considerablemente altos como para tenerlas en cuenta para aplicaciones en termoeléctricos (Texto tomado de la fuente)
Síntesis y caracterización de nanopartículas de almidón (de mango y maíz) obtenidos por medio de nanoprecipitación para su uso como floculante
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Londoño Urrea, Silvia Alejandra; Pineda Gomez, Posidia; Londoño Urrea, Silvia Alejandra [0000-0001-6858-8240]; Magnetismo y Materiales Avanzados
Usando materiales orgánicos considerados como desecho (semilla de mango) es posible hacer uso de estos como materia prima para generar nuevas aplicaciones. El objetivo de este trabajo fue sintetizar nanopartículas de almidón usando como fuente el maíz y la almendra de la semilla de mango, considerada un desecho agrícola, con el fin de estudiar sus características y proponer una aplicación ambiental. Se empleó el método químico nanoprecipitación para la síntesis de las nanopartículas. La investigación se realizó en varias etapas, en donde se extrajo el almidón de las fuentes botánicas, se estudiaron sus características morfológicas, estructurales y térmicas para conocer su estado inicial. Luego se procedió a sintetizar las nanopartículas con el método químico nanoprecipitación. Las características del almidón y de sus nanopartículas fueron evaluadas aplicando técnicas como microscopia electrónica de barrido de alta resolución para la determinación de la morfología, barrido dinámico de luz para determinar el tamaño de aglomerados de las nanopartículas, difracción de rayos-X, para determinar la estructura de los almidones y el cambio cuando son nanopartículas, análisis termogravimétrico para determinar las propiedades térmicas del almidón y sus nanopartículas, y calorimetría diferencial de barrido para determinar la temperatura de gelatinización de los almidones nativos y espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier para la determinación de los grupos funcionales en almidones nativos, modificados y sus nanopartículas. Por último, se exploró si estas nanopartículas sirven para el tratamiento de aguas como floculante. Para este fin, el almidón fue acetilado para permitir su mejor interacción con el agua fría. Se desarrolló una prueba de jarras para determinar la dosi del floculante y se midió pH, turbidez, conductividad eléctrica y color aparente del agua antes y después del tratamiento. Los resultados muestran que se obtuvieron nanopartículas con forma esférica con tamaños variables según la fuente botánica; las nanopartículas de semilla de mango presentan mayor tamaño que las de maíz. Al usar las nanopartículas como floculante, se obtiene una remoción en los parámetros de turbidez y color aparente mayor del 95% mientras que el pH y conductividad no se ven afectados. Las nanopartículas de almidón resultan ser una buena opción al ser usadas como floculante orgánico en el tratamiento de aguas, además de ser obtenidas por un método de bajo costo, fácil operación y usando fuentes de almidón consideradas desecho (Texto tomado de la fuente)
Reducción de cromo (VI) de agua de la industria del cromado empleando recubrimientos TiO2/Ni obtenidos mediante oxidación electrolítica por plasma
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Velasquez Tamayo, Juan Pablo; Torres Cerón, Darwin Augusto; Restrepo-Parra, Elisabeth; Velasquez Tamayo, Juan Pablo [0000038714]; https://scholar.google.com/citations?user=Nt09opYAAAAJ&hl=en; Velasquez Tamayo, Juan Pablo [0000000273972404]; https://www.researchgate.net/profile/Juan-Velasquez-Tamayo; laboratorio de Fisica del Plasma
En este trabajo investigativo se realizó aprovechamiento de agua residual de niquelado para la síntesis de recubrimientos de TiO2/Ni mediante Oxidación Electrolítica por Plasma (PEO), y su evaluación en la reducción fotoelectrocatalítica de Cr (VI) en agua residual de cromado. Para ello se utilizaron sustratos de titanio de dimensiones 20x20x1 mm con variaciones de ciclo útil de trabajo entre 2% y 50%. Los recubrimientos se caracterización mediante: SEM/EDS, AFM, XRD, Raman, XPS y DRS. Los resultados obtenidos por SEM indicaron la existencia de poros en la superficie de los recubrimientos y los análisis EDS revelaron la presencia de Ti, O, Ni y S, y que la cantidad de Ni aumentó a medida que se incrementó el ciclo útil de trabajo; también se encontró que la rugosidad de los recubrimientos incrementó al pasar de ~214,2 nm a ~574,5 nm, mediante AFM. Adicionalmente, los resultados de XRD y microscopia Raman mostraron la presencia de las fases de anatasa y rutilo del TiO2, y su variación en proporción al incrementar el ciclo útil de trabajo; además se encontró que para el recubrimiento a ciclo útil de 50% se formaron fases de NiTiO3 y de NiO, lo cual fue confirmado por XPS. La caracterización óptica de los recubrimientos por DRS mostró un corrimiento hacia la región visible del espectro electromagnético en respuesta a la presencia de Ni en el material sintetizado, presentando absorciones desde ~505 nm hasta ~558 nm. Finalmente, se implementaron diseños experimentales para la evaluación fotoelectrocatalítica en la reducción de Cr (VI), para los recubrimientos de 2% y 50% de ciclo útil de trabajo. Los resultados indicaron que la tensión aplicada y la concentración de Cr (VI) son las variables de mayor influencia en el proceso, y que el recubrimiento de 2% de ciclo útil presentó mejores eficiencias de reducción de Cr (VI) comparado al de 50%, debido a la presencia de mayor proporción de la fase anatasa. Además, se determinaron las condiciones óptimas del proceso, se realizó el estudio cinético ajustado a un modelo cinético de pseudo-primer orden, y se evaluaron los ciclos de uso del material, encontrando que luego de 16 ciclos de uso la eficiencia es mayor al 98% (Texto tomado de la fuente)
Física forense : Estudio de modelos físicos de reconstrucción analítica de accidentes de tránsito (RAAT) aplicados en procesos de responsabilidad penal, civil y administrativa
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Avellaneda Cespedes, Marco Aurelio; Mulcue Nieto, Luis Fernando; Propiedades Ópticas de Materiales
En Colombia, los accidentes de tránsito representan la segunda causa de muerte violenta, siendo el exceso de velocidad un factor común en estos incidentes. En este trabajo, se evaluó la aplicabilidad de diversos modelos físicos, incluyendo variantes del modelo de trabajo simple por fricción, para calcular la velocidad en accidentes de tránsito. Se seleccionaron cuatro casos de estudio, dos civiles y dos penales, y se utilizó un enfoque cualitativo para comprender las causas subyacentes y las dinámicas complejas de cada situación. Es importante destacar que la Administración de Justicia es responsable de dirimir todas las circunstancias analizadas en el proceso de responsabilidad. En algunos casos, se puede incorporar la prueba pericial de RAAT, la cual debe fundamentarse en un modelo físico adecuado. Sin embargo, algunos peritos y jueces pueden favorecer el modelo de trabajo simple por fricción por su uso cotidiano, costumbre o prejuicios, lo que puede afectar las decisiones judiciales. Este trabajo propone una metodología completa para la selección adecuada de modelos físicos para casos específicos, utilizando el método científico y los criterios Daubert de la Corte Suprema de los Estados Unidos, así como las reglas de la Sana Crítica. Estas recomendaciones ayudarán a los peritos y jueces a tomar decisiones informadas y precisas en cuanto a la selección del modelo físico adecuado para cada caso, lo cual es esencial para garantizar la justicia y la precisión en los procesos de responsabilidad en siniestros viales. En resumen, este trabajo aborda la importancia de seleccionar el modelo físico adecuado en la reconstrucción analítica de accidentes de tránsito para propender por decisiones informadas y que se adecúen al máximo con la realidad, en casos de responsabilidad. (Texto tomado de la fuente)
Influencia de la incorporación de nanopartículas de Au en procesos de corrosión en recubrimientos de TiO2 obtenidos por OEP
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) García Gallego, Yury Paola; Restrepo-Parra, Elisabeth
En el presente trabajo se describe la influencia de la incorporación de nanopartículas de oro (AuNPs) en procesos de corrosión a recubrimientos de titanio, obtenidos por oxidación electrolítica por plasma (OEP), en el cual, se planteó variar la concentración de nanopartículas de oro (3,75ppm Au; 7,5ppm Au; 15 ppm Au) en la solución. Las AuNPs fueron sintetizada mediante ablación láser en fase liquida. Los recubrimientos se realizaron sobre placas de titanio de 20x20x1 mm, en una solución acuosa acidificada con H2SO4 0;1M; que contenía la variación de la concentración de las AuNPs. La OEP se realizó en una fuente conmutada de tensión máxima de salida de 356 V, con una frecuencia de 2000 Hz, un ciclo útil del 10 % y una duración de 7 minutos. La caracterización de las AuNPs se llevó a cabo mediante varias técnicas incluyendo absorción atómica, UV-Vis y XRD. A partir de estas técnicas se encontró un tamaño de cristalito de aproximadamente de 8.9 nm y un tamaño aproximado de nanopartícula de 40-50nm. Los cambios a nivel morfológicos de los recubrimientos se determinaron mediante AFM y SEM que no hay diferencias significativas entre las muestras, los cambios a nivel composicional se efectuaron mediante XRD y XPS, evidenciando la presencia de las AuNPs no solo en la superficie del recubrimiento sino en el interior de esta. Para evaluar la resistencia a la corrosión de los recubrimientos, se utilizó espectroscopia de impedancia electroquímica y resistencia a la polarización en fluido biológico simulado. Se encontró que todas las muestras presentaban un mecanismo de corrosión mixto, que involucra tanto la corrosión de la superficie como la corrosión en el interior del recubrimiento. Sin embargo, se observó una disminución en la velocidad de corrosión de las muestras con AuNPs en comparación con la muestra sin AuNPs. Esto sugiere que la presencia de las AuNPs mejora la resistencia a la corrosión del recubrimiento. En general, este estudio proporciona una base para el desarrollo de nuevos materiales que incorporen nanopartículas de oro para mejorar la resistencia a la corrosión del titanio y, por lo tanto, su posible uso en aplicaciones biomédicas. (Texto tomado de la fuente)
Análisis electroquímico de los recubrimientos de hidroxiapatita ovina crecidos por ruta hidrotermal sobre capas de TiO2 obtenidas por oxidación electrolítica por plasma
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Alzate Acevedo, Natalia; Restrepo-Parra, Elisabeth; Alzate Acevedo, Natalia [0000-0002-7557-6771]; Laboratorio de física del plasma
El desempeño de los biomateriales con aplicaciones en implantes depende tanto de su composición elemental, como de la formación de la superficie, por lo que es importante además del material a emplear, establecer la composición ideal que debe tener la superficie, al entrar en contacto con microorganismos. Ante esto, las biocerámicas como la Hidroxiapatita son de gran interés en la industria biomédica, debido a que su composición química es muy similar a la parte mineral de los tejidos óseos, por lo que en contacto con sistemas vivos tiene una respuesta biológica favorable; aunque no tiene las propiedades mecánicas adecuadas al momento de funcionar como un implante. Es a partir de esto, que se emplean materiales como titanio y sus aleaciones, para el andamiaje de esto implantes. Sin embargo, a pesar de esto la respuesta bioactiva en sistemas vivos no es la óptima. Es por esto, que este trabajo investigativo desarrolló la modificación superficial de sustratos de Ti puro a través de OEP (Oxidación electrolítica por plasma) e hidrotermal, con la aplicación de hidroxiapatita ovina y su posterior evaluación por técnicas electroquímicas en una solución electrolítica de fluido biológico simulado. Para ello, se realizó una primera deposición de semillas de HAp por medio de OEP y la formación de TiO2, y posteriormente se procedió a la aplicación de proceso HT con el que se realizó un crecimiento ordenado de las diferentes hidroxiapatitas (T600 °C, T800 °C, 1000 °C y comercial) sobre la superficie de TiO2. Las muestran fueron caracterizadas por DRX, MEB-EDX, donde se observó el ordenamiento y formación de la hidroxiapatita de las semillas depositadas previamente OEP, de las difractogramas, al igual que se observó que las muestra con el que se llevó a cabo el proceso hidrotermal muestran una hidroxiapatita cristalina. Finalmente, se hizo evaluaciones electroquímicas, donde los resultados arrojaron una mejora de las muestras que sólo fueron tratadas con OEP a las que fueron tratadas combinando las técnicas de OEP e HT. Adicionalmente la muestra T800 °C mostró una mejora significativa en comparación con las otras tres muestras en cuanto a la velocidad de corrosión y la resistencia a la polarización. (Texto tomado de la fuente)
Producción de recubrimientos de TiO2/S obtenidos por oxidación electrolítica por plasma con el fin de reducción de Cr(VI) en medios acuosos
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Vargas Villanueva, Steven; Torres Cerón, Darwin Augusto; Restrepo-Parra, Elisabeth; Vargas Villanueva, Steven [0000-0001-5542-5776]; Laboratorio de Física de Plasma
En esta investigación se realizó la síntesis de recubrimientos de TiO2/SO42- mediante oxidación electrolítica por plasma (OEP), para su aplicación en la reducción de Cr (VI) presente en agua residual de la industria del cromado, a Cr (III) por medio del proceso de fotocatálisis heterogénea. Durante el proceso OEP se utilizaron láminas de Ti de 99% de pureza y como solución electrolítica H2SO4 al 0,1M, se realizaron variaciones de ciclo útil de 2%, 10%, 30% y 50%, durante un tiempo de síntesis de 7 min a condiciones ambientales de temperatura y presión. La caracterización fisicoquímica de los recubrimientos obtenidos se realizó mediante XRD, espectroscopía Raman, AFM, SEM, XPS y DRS. Los XRD mostraron la combinación de las fases de anatasa y rutilo del TiO2, y que, a mayor ciclo útil, la fase rutilo aumenta mientras que la fase anatasa decrece, esto debido a la energía que adquiere el sistema lámina y solución electrolítica durante el proceso OEP. En tanto, a la caracterización por Raman se corroboró lo encontrado mediante XRD pues se evidencia la presencia de los modos vibracionales de las fases anatasa y rutilo en las láminas de 2% y 50% respectivamente. Por otro lado, en las micrografías AFM se visualizó que, a mayor ciclo útil, se incrementa la rugosidad del recubrimiento. En las micrografías obtenidas por SEM se observan microcavidades sobre la superficie de los recubrimientos, calotas (esferas) que son las huellas digitales del mismo, además, se observan los canales de descarga y regiones nodulares que son zonas ricas en solución electrolítica, y en los resultados obtenidos por XPS se observa la presencia de S en los recubrimientos en forma de SO42-. En las pruebas de absorción óptica del material por DRS se observa un corrimiento de la banda de absorción de 420 nm (ciclo útil de 2%) a 606 nm (ciclo útil del 50%), lo que indica que la muestra obtenida al 50% ha desplazado la banda de absorción hacia el visible y una disminución en el valor del gap. En la muestra al 2% se estimó el valor del gap en 2,96 eV y para la muestra del 50% de ciclo útil el gap fue de 2,05 eV. Adicionalmente, todos los recubrimientos de TiO2/SO42- mostraron reducciones de Cr (VI) de agua residual mayores al 50 % a 3 horas para las muestras con la adición de EDTA. El proceso fue mejorado en tiempo y en porcentaje de reducción una vez cerrado el circuito, lo que brindó mejores rendimientos (96% para ciclo útil de 2% en 2 horas a 4ppm). Finalmente, el recubrimiento de TiO2/SO 2- obtenido al 2%, logró un rendimiento promedio en la reducción de Cr (VI) de 96.14 ± 2.7 para un promedio de 7 reúsos, lo que favorece dichos procesos evitando operaciones unitarias de filtración y separación en comparación de polvos. (Texto tomado de la fuente)
Desarrollo y solución computacional de un modelo electrostático para celdas solares de nanoalambres de unión radial
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Joven Rodríguez, Christian David; Morales-Acevedo, Arturo; Bernal Correa, Roberto
En este trabajo, se presenta el desarrollo un modelo electrostático general para heterouniones de nanoalambres de unión radial resolviendo la ecuación de Poisson en coordenadas cilíndricas. A diferencia de las homouniones y heterouniones unidimensionales planas, en este caso, las ecuaciones trascendentales deben resolverse numéricamente para determinar las dimensiones de las regiones de carga espacial, para este fin se usó el método de Newton Raphson. También se obtienen y grafican el campo eléctrico y la distribución de potencial en la heterounión radial para diferentes voltajes de polarización. Como ejemplos, se simularon las estructuras de nanoalambres de heterounión InP/Si y de homounión InP para ser estudiadas electrostáticamente. Este trabajo pretende ser la base para desarrollar un modelo más completo para celdas solares basadas en heterouniones de nanoalambres de unión radial bajo la luz solar. (Texto tomado de la fuente)
Estudio de muestras de tejido mamario embebidas en parafina mediante espectroscopía de fluorescencia para soporte al diagnóstico en histopatología
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Valencia Muñoz, Carolina; Segura Giraldo, Belarmino; Segura Giraldo, Belarmino [0000-0001-9205-8573]; Instrumentación Física
En la presente investigación se realizó un estudio de tejido mamario embebido en parafina por medio de la técnica de Espectroscopía de Fluorescencia. Se realizó alianza con el Instituto Caldense de Patología, quienes proporcionaron las muestras para el estudio. Se midieron 56 muestras de tejido de mama, de las cuales se obtuvieron 495 espectros de fluorescencia que fueron procesados mediante un algoritmo desarrollado en el grupo de investigación a través de Matlab, el cual normalizó los datos y generó los parámetros más relevantes de cada espectro, como amplitud, área, FWHM, entre otros, con el fin de implementar modelos estadísticos para el análisis de los datos, dentro de los cuales se encuentra el Análisis de Componentes Principales (PCA), Conglomerados, K-medias y Análisis Discriminante Lineal (LDA), con el fin de identificar las variables más representativas que permitan realizar una clasificación de tejido con normalidad o patología. Los espectros de fluorescencia tuvieron una variación marcada entre las dos muestras de cada paciente, se identifican los fluoróforos presentes en el tejido, el Colágeno, Elastina, NADH y Flavinas con intensidades altas y bajas, de acuerdo con tipo de muestra, normal o patológica, clasificada por Histopatología. Mediante PCA se valida la distribución de normalidad de los datos y se identifican las variables que mayor correlación presentan para la clasificación del tejido, en este caso la amplitud de Elastina y NADH (Amp2 y Amp3). El modelo de conglomerados y K-medias, permitió visualizar la clasificación en cluster, donde se obtuvo un 70,7% de explicación de los datos para 3 cluster, mientras que en el caso de 2 clúster se explica el 63,7%; este resultado nos permite analizar y revisar, con mayor detalle la clasificación de los tejidos, que en vez de la asignación de 2 grupos (normalidad y patología), se adicione un tercer grupo en ese caso como sospecha. Con el modelo LDA, se confirmaron las amplitudes de cada fluoróforo como las variables características de la información espectral, y lograron obtener predicciones del 98% para la clasificación de patología y 96,3% para normalidad. El diagnóstico histopatológico se confirmó, a través de los análisis espectrales desarrollados, presentando 18 confirmaciones por pares de muestras de las 28 paciente analizadas, 11 con coincidencias directas y 7 con diagnóstico patológico en el par de muestras por paciente, es decir un 64,3% de coincidencia con el diagnóstico patológico; estos resultados permiten afirmar que el estudio de tejido mamario por espectroscopía de fluorescencia es un apoyo diagnóstico para el médico patólogo. (Texto tomado de la fuente)
Metodología para la detección de cocaína en matrices poliméricas mediante técnicas electroquímicas
(Universidad Nacional de Colombia, 2021-01-12) Pineda Hernández, Daniel Alejandro; Restrepo-Parra, Elisabeth; Diaz Vargas, Carlos Andrés; Laboratorio de física del plasma
En el presente trabajo se desarrolló una novedosa metodología para la detección preliminar de cocaína en matrices poliméricas por medio de espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). Para esto, se realizó un análisis sistemático de polímeros con y sin cocaína incrustada a fin de determinar la respuesta eléctrica de estas matrices e identificar una señal característica que indique la presencia del alcaloide. Con el fin de soportar este estudio, se realizaron caracterizaciones fisicoquímicas y composicionales que validaran los resultados obtenidos por medio de EIS. Los datos obtenidos por EIS fueron analizados mediante circuitos equivalentes a fin de realizar una descripción detallada del comportamiento eléctrico de los polímeros, mediante este análisis se encontró que los polímeros sin dopaje presentan un circuito equivalente compuesto de una resistencia y un elemento de fase constante demostrando el carácter dieléctrico de estas muestras, mientras que los polímeros dopados presentan una capacitancia adicional que sugiere una doble polarización debido a la presencia de cocaína en la matriz . Adicionalmente, se validó que existe una relación entre la presencia de la cocaína incrustada en las matrices poliméricas con la resistencia eléctrica del material. La presencia del alcaloide disminuye significativamente la resistencia eléctrica del material debido a un aumento en la conductividad de la muestra producto de la estructura del dopaje. (Texto tomado de la fuente)
Diseño de dispositivo portátil para el apoyo al diagnóstico de cáncer de mama
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) Amézquita Álvarez, Esteban; Segura Giraldo, Belarmino; Laboratorio Física del Plasma
La espectroscopía de impedancia eléctrica (EIS) se una técnica nueva y emergente que se ha venido desarrollando para el diagnóstico médico, y que se basa en la excitación de la muestra con una señal de corriente alterna en un barrido de frecuencias con el objetivo observar cambios de propiedades eléctrica, esta información se recolecta en espectros a los que se les hace análisis. La EIS es una prometedora técnica de obtención de imágenes no invasiva que no utiliza radiación ionizante, diferente de las mamografías convencionales. El trabajo presentado en esta tesis comprende el desarrollo de un dispositivo portable para la medición de impedancia eléctrica en las mamas (IMBIOEL, Impedancia Bio-Eléctrica), basado en la metodología de despliegue de función de calidad (QFD en inglés), que permitió traducir los objetivos del proyecto en características técnicas a desarrollar con un orden de prioridad en función de cumplir el desarrollo de este proyecto. La impedancia eléctrica se midió utilizando el analizador de impedancia AD5933 acoplado a un circuito automático de calibración y un circuito de multiplexión conectado a 32 electrodos dispuestos en un arreglo circular. IMBIOEL se conecta al microcontrolador Arduino UNO para manejar los componentes electrónicos y de envío de información al computador. Para el control se desarrolló una herramienta computacional Software de Impedancia Bio-Eléctrica (SIBE) con un módulo adicional de análisis estadístico, estos tienen la capacidad de ejecutar un algoritmo de calibración, las rutinas de medición, graficar los espectros, un análisis de componentes principales (PCA en inglés) y además cuenta con una interfaz gráfica amigable con el usuario. Se realizaron pruebas en circuito de impedancia conocidos para verificar su coherencia con la teoría. Se realizó una prueba de funcionamiento a 17 de pacientes voluntarias de Manizales, Caldas, donde a cada una se les instruye del procedimiento, que es realizado por un médico. Solamente una de las voluntarias tenía patología en una de sus mamas, la cual fue identificada con IMBIOEL por medio del análisis de PCA que arrojó una gran diferencia con las pacientes no patológicas, lo cual es un indicador prometedor para nuevos desarrollos de dispositivos portables de espectroscopía de impedancia eléctrica. (Texto tomado de la fuente)
Síntesis de nanopartículas de óxido de hierro por ablación láser en medio acuoso
(Universidad Nacional de Colombia, 2020) Rivera Chaverra, María José; Restrepo-Parra, Elisabeth; Ospina Ospina, Rogelio; Laboratorio de Física de Plasma
Actualmente, el diseño y síntesis de materiales en la escala de los nanómetros para aplicaciones biomédicas es de gran interés debido a sus características comparadas con las del mismo material en bulk. Entonces el estudio de estas características, así como la producción de dichos nanomateriales, constituye un área importante de estudio que no ha sido completamente investigado para la posible aplicación en este campo. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue producir muestras con nanopartículas de hierro por ablación láser en líquidos, con potenciales aplicaciones biomédicas y en el área de la hipertermia magnética. Para encontrar las condiciones experimentales que permitieran la producción de las nanopartículas, se realizaron experimentos a temperatura ambiente con un blanco de hierro puro (99,99% de pureza), cada muestra fue tomada durante 5 minutos de ablación láser en 10mL de agua Milli-Q a 90mJ, 173mJ, 279mJ y 370mJ respectivamente. La morfología de estas nanopartículas se determinó mediante las técnicas de dispersión dinámica de luz (DLS) y microscopía electrónica de transmisión por dispersión (STEM), confirmando que el tamaño de las partículas era del orden de nanómetros. También se observó una gran influencia de la potencia del láser en el tamaño de las partículas, provocada por la competencia entre la energía y la temperatura. La composición se determinó mediante difracción de rayos X y espectroscopía Raman, mostrando la presencia de magnetita, maghemita y hematita. Las mediciones de hipertermia mostraron que el aumento de temperatura de las nanopartículas (NPs) de óxido de hierro no se vio muy influenciado por el cambio de energía, la capacidad de calentamiento de las NPs magnéticas se cuantifica por la tasa de absorción específica (SAR), que tiende a disminuir al aumentar la energía, lo que indica una dependencia de estos valores de la concentración de nanopartículas. (Texto tomado de la fuente)

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