Análisis computacional del comportamiento termo-mecánico de materiales con aplicación a la industria automotriz

Para la supervivencia de cualquier industria en un mercado cada vez más competitivo resulta esencial mejorar la calidad del producto y reducir costos. Como parte de esa tendencia, el proceso de diseño, tanto de bienes como de procesos de manufactura, debe ser confiable e insumir el menor tiempo posible para permitir agilidad y eficacia en los cambios y las innovaciones que requiere el mercado. Es necesario abandonar los procesos de desarrollo basados en largas y costosas secuencias de prueba y error y reemplazarlos por procedimientos más cortos y eficientes. Las herramientas informáticas y los modelos computacionales han contribuido en gran medida a lograr dicho objetivo. Estos métodos son cada vez más utilizados en industrias tan importantes como la automotriz o la de maquinaria y equipamiento agrícola, ambas de relevante importancia en la actividad económica de nuestra provincia. En las mencionadas industrias, con la intención de mejorar las prestaciones del producto, de reducir costos de mantenimiento para igual prestación y, sobre todo, con el objetivo de disminuir el peso total del vehículo, factor importante en relación con el ahorro de combustible, es habitual la sustitución de algunos materiales tradicionalmente utilizados por otros con mejor relación prestación/costo y prestación/peso. Dentro de este grupo de nuevos materiales que se emplean en la industria automotriz se encuentran los compuestos, las aleaciones ligeras y la fundición dúctil, los cuales han estado substituyendo al acero o a la fundición gris en algunas piezas. La meta de esta investigación es generar modelos computacionales multiescala de: a) el proceso de tratamiento térmico de austemperizado de la fundición dúctil, b) el comportamiento mecánico de elementos de fundición dúctil y c) el comportamiento mecánico de material compuesto de matriz epoxi y fibra de vidrio con daño higrotérmico. Se usarán simulaciones acopladas de meso y macromecánica. El principal postulado es que la representación de la mesomecánica del material acoplada a la macromecánica conduce a resultados que mejoran las predicciones con respecto a modelos planteados sólo a nivel macroscópico. El dominio macroscópico se representará con elementos finitos y en ese nivel se resolverán problemas térmicos y mecánicos. En la mesoescala se emplearán leyes fenomenológicas para el aspecto metalúrgico del austemperizado y elementos finitos para el análisis del comportamiento micromecánico de la fundición dúctil y del material compuesto. Los productos resultantes de la investigación serán software y metodologías que puedan ser utilizadas en la mejora del diseño de piezas de fundición dúctil y de materiales compuestos y en el ajuste del tratamiento de austemperizado de la fundición dúctil que permita obtener la microestructura requerida. Desde un punto de vista académico y en relación con la temática planteada en el proyecto, tres integrantes llevarán a cabo sus estudios doctorales y se publicarán resultados en revistas internacionales

APROXIMACIÓN AL DISEÑO DE SISTEMAS DE BIO-REACTORES PARA LA DELIGNIFICACIÓN DE MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS Y PARA LA DECONTAMINACIÓN DE SUELOS Y EFLUENTES

Los materiales lignocelulósicos residuales de las actividades agroindustriales pueden ser aprovechados como fuente de lignina, hemicelulosa y celulosa. El tratamiento químico del material lignocelulósico se debe enfrentar al hecho de que dicho material es bastante recalcitrante a tal ataque, fundamentalmente debido a la presencia del polímero lignina. Esto se puede lograr también utilizando hongos de la podredumbre blanca de la madera. Estos producen enzimas lignolíticas extracelulares fundamentalmente Lacasa, que oxida la lignina a CO2. Tambien oxida un amplio rango de sustratos ( fenoles, polifenoles, anilinas, aril-diaminas, fenoles metoxi-sustituídos, y otros), lo cual es una buena razón de su atracción para aplicaciones biotecnológicas. La enzima tiene potencial aplicación en procesos tales como en la delignificación de materiales lignocelulósicos y en el bioblanqueado de pulpas para papel, en el tratamiento de aguas residuales de plantas industriales, en la modificación de fibras y decoloración en industrias textiles y de colorantes, en el mejoramiento de alimentos para animales, en la detoxificación de polutantes y en bioremediación de suelos contaminados. También se la ha utilizado en Q.Orgánica para la oxidación de grupos funcionales, en la formación de enlaces carbono- nitrógeno y en la síntesis de productos naturales complejos. HIPOTESIS Los hongos de podredumbre blanca, y en condiciones óptimas de cultivo producen distintos tipos de enzimas oxidasas, siendo las lacasas las más adecuadas para explorarlas como catalizadores en los siguientes procesos:  Delignificación de residuos de la industria forestal con el fin de aprovechar tales desechos en la alimentación animal.  Decontaminación/remediación de suelos y/o efluentes industriales. Se realizarán los estudios para el diseño de bio-reactores que permitan responder a las dos cuestiones planteadas en la hipótesis. Para el proceso de delignificación de material lignocelulósico se proponen dos estrategias: 1- tratar el material con el micelio del hongo adecuando la provisión de nutrientes para un desarrollo sostenido y favorecer la liberación de la enzima. 2- Utilizar la enzima lacasa parcialmente purificada acoplada a un sistema mediador para oxidar los compuestos polifenólicos. Para el proceso de decontaminación/remediación de suelos y/o efluentes industriales se trabajará también en dos frentes: 3) por un lado, se ha descripto que existe una correlación positiva entre la actividad de algunas enzimas presentes en el suelo y la fertilidad. En este sentido se conoce que un sistema enzimático, tentativamente identificado como una lacasa de origen microbiano es responsable de la transformación de compuestos orgánicos en el suelo. La enzima protege al suelo de la acumulación de compuestos orgánicos peligrosos catalizando reacciones que involucran degradación, polimerización e incorporación a complejos del ácido húmico. Se utilizarán suelos incorporados con distintos polutantes( por ej. policlorofenoles ó cloroanilinas.) 4) Se trabajará con efluentes industriales contaminantes (alpechínes y/o el efluente líquido del proceso de desamargado de las aceitunas).

Síntesis y caracterización de Materiales Nanoscópicos y Nano-especies activas y sus aplicaciones en Energía y Medio Ambiente

Se estudiara la síntesis, caracterización y aplicación de Materiales Nanoscópicos (Nanoestructurados, MN y Nanocomposites, NC), con propiedades definidas en el campo de la Energía, Medio Ambiente y Bioingeniería, especialmente las MCM y SBA ( MCM-41 y MCM-48, SBA-1, SBA-3, SBA-15 y SBA-16, Silíceas o Al/Ga/Ti como Heteroátomo, y la Al-SBA-3, recientemente desarrollada por nosotros, primera publicación a nivel mundial). Se pondrá énfasis en el diseño, preparación y caracterización de sus réplicas con C (CMK-1 y CMK-3). Determinación y optimización de las estrategias de síntesis de MN y NC y Nano especies Activas en nuevos catalizadores (Ir/ TiO2, Pt/Pd etc.), cuyas propiedades fundamentales (estructurales, electrónicas, conductividad, actividad catalítica, etc.) sean aplicables en los Campos Citados. Comprensión de los parámetros que definen dichas propiedades, relación estructura/actividad, rediseño y aplicaciones de MN y NC en dos procesos específicos (de los cuales ya hemos publicado resultados): Energía y Medioambiente: 1) Almacenamiento de H2, Adsorción/Absorción de H2 en los MN Silíceos y Carbonosos y NC y Desarrollo de NC híbridos formados por reservorios en base a los MN por oclusión de nano-alambres moleculares de polímeros orgánicos, modificando las propiedades de conductividad / semiconductividad y adsorción de H2; 2) Estudio de las reacciones de hidrotratamiento catalítico (HDT), que comprende la hidrogenación, la hidrodesulfurizacion (HDS) y la hidrodenitrogenacion (HDN) de compuestos refractarios presentes en los cortes de combustibles. La determinación del mecanismo de las reacciones de HDS y HDN.

Estudios experimentales y teóricos de materiales y su optimización para uso como electrodos de baterías de ión-litio.

El presente proyecto se enmarca en el contexto del desarrollo de vectores de energía, particularmente aquellos destinados a almacenar la energía captada desde fuentes alternativas y sustentables, como son las energías eólica y solar, entre otras. Uno de los vectores de energía actualmente más importante lo constituyen las baterías de ión-Litio, las que por sus características de pequeño tamaño, alta densidad de energía y potencia, y larga ciclabilidad, son ampliamente utilizadas para alimentar todos los dispositivos electrónicos de pequeño tamaño (teléfonos móviles, notebooks, etc.). Este tipo de batería es, hasta el momento, la única que puede satisfacer la demanda de voltaje e intensidad de corriente, junto con bajo peso y volumen, del motor de un vehículo eléctrico, por lo que se espera un gran crecimiento de su demanda cuando comience la consolidación del mercado de este tipo de vehículos. Sin embargo, esto sólo será posible con importantes mejoras en los materiales activos que componen ambos electrodos, ánodo y cátodo, y/o con el desarrollo de nuevos materiales activos, que incrementen aun más la densidad de energía almacenada en dichas batería. En la Universidad Nacional de Córdoba hemos constituido un grupo de trabajo abocado a la investigación y desarrollo de materiales activos para ser utilizados como electrodos en este tipo de baterías, un área de investigación que concentra cada vez más la atención de científicos y tecnólogos en todo el mundo, particularmente, de países líderes del sector de electrónica y automotriz. Entre los objetivos del proyecto se pueden mencionar la intención de desarrollar capacidades científicas y técnicas en aspectos de investigación básica y tecnológica de sistemas electroquímicos de almacenamiento de energía, mediante la instalación de un laboratorio de síntesis, caracterización, investigación y ensayo de materiales activos para electrodos de baterías de ión-Litio. Específicamente, se llevará adelante la preparación y estudio electroquímico de materiales de ánodo en base a diferentes tipos de carbonos, de diferentes compuestos de titanatos de metales alcalinos, y de materiales de cátodo en base a diferentes tipos de compuestos de espinelas de fosfato de M-Litio, donde M puede ser Fe, Mn, Ni, Co o mezclas, y el ensayo posterior de celdas prototipo. La metodología de trabajo a aplicar es la del estado-del-arte a nivel mundial, que consiste en las etapas de síntesis, caracterización y estudio de funcionamiento de diferentes tipos de materiales activos para electrodos (ánodo o cátodo) de baterías de ión-Litio. Los procesos de síntesis comprenderán métodos por vía seca desde precursores adecuados (tratamientos térmicos) o por vía húmeda (hidrotermal, sol-gel). La caracterización física, química, estructural y morfológica abarcará la aplicación de técnicas de análisis de área específica y porosidad por método BET, microscopías SEM y TEM, análisis químico EDX, difracción de rayos X, espectroscopías XPS y Raman, y RMN, entre otras. Los estudios electroquímicos se llevarán a cabo utilizando técnicas potenciodinámicas, de multipulsos de potencial, galvanostáticas a diferentes densidades de corriente, espectroscopía de impedancia electroquímica y de ciclados de carga/descarga. Con la ejecución del proyecto se espera obtener materiales activos para electrodos de baterías de ión-Litio que cumplan con características tales como: alta capacidad de carga, adecuada densidad de potencia, alto grado de ciclabilidad, alto grado de seguridad, alta resistencia al envejecimiento, tanto estático como dinámico, y bajo costo del material. Teniendo en cuenta la inminente crisis en la producción mundial de combustibles fósiles líquidos, la necesidad de mudar la tecnología de vehículos actuales a la de vehículos eléctricos, y la disponibilidad nacional de recursos minerales de litio, la importancia del proyecto es directa para avanzar hacia un desarrollo tecnológico regional propio e independiente.