Producción de diamante por CVD (Chemical Vapour Deposition)

A fines de la década del '60 un grupo de investigadores rusos pudo obtener diamante a partir de experimentos con reacciones en fase vapor a bajas presiones de los gases envueltos en el proceso. En 1976 Derjagin et al. mostraron que la nucleación de diamante es posible sobre sustratos de Cu y en 1982 Matsumoto demuestra que la nucleación y crecimiento continuo a bajas presiones de diamante es posible sobre diversos substratos. Las especiales propiedades del diamante (D): dureza, elevado punto de fusión, inercia química, así como elevada conductividad del calor, sonido y de señales ópticas, ubican a este material como una de las prioridades de desarrollo e investigación de grupos de excelencia en el mundo entero. (...) Objetivos Generales y Específicos: El objetivo de este proyecto se basa en la construcción de un reactor para CVD (Chemical Vapour Deposition) y de los elementos auxiliares necesarios para producir diamante sintético por este método. Determinando los parámetros que controlan el proceso: mezcla de gases adecuada, temperatura de substrato, temperatura del plasma, presión parcial de los gases, vacío necesario y otros. En la primera etapa de 2 años se priorizará la puesta a punto del método, para luego pasar al estudio de las diferentes aplicaciones tecnológicas necesarias para la región. Específicamente, en el tercer año se tratará de generar diamantes como recubrimientos para herramientas de corte, así como para trapanos de velocidad, aprovechando residuos para la industria de abrasivos. Los objetivos generales no se cirscuncriben sólo al hecho de montar un reactor en laboratorio para CVD, sino una vez encontrados los parámetros que gobiernan esta técnica, producir diamante sintético para aplicaciones en la industria de herramientas de corte, micrófonos y óptica. Otro objetivo general de importancia es la formación de recursos humanos en técnicas de vacío, ingeniería de superficie y tecnología de plasma a través del personal y de los estudiantes involucrados en el proyecto, así como los participantes en cátedras del Departamento de Mecánica. En cuanto a los objetivos específicos para los dos primeros años, es preparar, construir y poner a punto un reactor de laboratorio de filamento caliente (Hot filament) por tecnología de plasma tipo CVD para obtener diamante sintético a partir de gases.

Dinámica y cinética de los procesos físicos y químicos del radical OH con compuestos orgánicos volátiles (COVs) de relevancia atmosférica. Dynamics and kinetics of the physical and chemical processes of OH radicals with atmospheric relevant volatile organic compounds (VOCs)

El objetivo del presente proyecto es estudiar los procesos físicos y químicos del radical OH con compuestos orgánicos volátiles (COVs), con los cuales sea factible la formación de agregados de van der Waals (vdW) responsables de la curvatura en los gráficos de Arrhenius, empleando técnicas modernas, complementarias entre si y novedosas en el país. El problema será abordado desde tres perspectivas complementarias: 1) estudios cinéticos, 2) estudios mecanísticos y de distribución de productos y 3) estudios de la dinámica de los procesos físicos y químicos. La finalidad es alcanzar una mejor comprensión de los mecanismos que intervienen en el comportamiento químico de especies presentes en la atmósfera y obtener datos cinéticos de alta calidad que puedan alimentar modelos computacionales capaces de describir la composición de la atmósfera, presente y futura. Los objetivos son estudiar: 1) mediante fotólisis láser pulsada con detección por fluorescencia inducida por láser (PLP-LIF), en reactores de flujo, la cinética de reacción del radical OH(v”=0) con COVs que presentan gráficos de Arrhenius curvos con energías de activación negativas, tales como alcoholes insaturados, alquenos halogenados, éteres halogenados, ésteres alifáticos; 2) en una cámara de simulación de condiciones atmosféricas de gran volumen (4500 L), la identidad y el rendimiento de productos de las reacciones mencionadas, a fines de evaluar su impacto atmosférico y dilucidar los mecanismos de reacción; 3) mediante haces moleculares y espectroscopía láser, la estructura y reactividad de complejos de vdW entre alcoholes insaturados o aromáticos (cresoles) y el radical OH, como modelo de los aductos propuestos como responsables de la desviación al comportamiento de Arrhenius de las reacciones mencionadas; 4) mediante PLP-LIF y expansiones supersónicas, las constantes específicas estado a estado (ksts) de relajación/reacción del radical OH(v”=1-4) vibracionalmente excitado con los COVs mencionados. Los resultados experimentales obtenidos serán contrastados con cálculos ab-initio de estructura electrónica, los cuales apoyarán las interpretaciones, permitirán proponer estructuras de estados de transición y aductos colisionales, como así también calcular las frecuencias de vibración de los complejos de vdW para su posterior asignación en los espectros LIF y REMPI. Asimismo, los mecanismos de reacción propuestos y los parámetros cinéticos medidos experimentalmente serán comparados con aquellos obtenidos por cálculos teóricos. The aim of this project is to study the physical and chemical processes of OH radicals with volatile organic compounds (VOCs) with which the formation of van der Waals (vdW) clusters, responsible for the observed curvature in the Arrhenius plots, might be feasible. The problem will be addressed as follow : 1) kinetic studies; 2) products distribution and mechanistic studies and 3) dynamical studies of the physical and chemical processes. The purpose is to obtain a better understanding of the mechanisms that govern the chemical behavior of species present in the atmosphere and to obtain high quality kinetic data to be used as input to computational models. We will study: 1) the reaction kinetics of OH (v”=0) radicals with VOCs such as unsaturated alcohols, halogenated alkenes, halogenated ethers, aliphatic esters, which show curved Arrhenius plots and negative activation energies, by PLP-LIF, in flow systems; 2) in a large volume (4500 L) atmospheric simulation chamber, reaction products yields in order to evaluate their atmospheric impact and reaction mechanisms; 3) using molecular beams and laser spectroscopy, the structure and reactivity of the vdW complexes formed between the unsaturated or aromatic alcohols and the OH radicals as a model of the adducts proposed as responsible for the non-Arrhenius behavior; 4) the specific state-to-state relaxation/reaction rate constants (ksts) of the vibrationally excited OH (v”=1-4) radical with the VOCs by PLP-LIF and supersonic expansions. Ab-initio calculations will be carried out to support the interpretation of the experimental results, to obtain the transition state and collisional adducts structures, as well as to calculate the vibrational frequencies of the vdW complexes to assign to the LIF and REMPI spectra. Also, the proposed reaction mechanisms and the experimentally measured kinetic parameters will be compared with those obtained from theoretical calculations.