Mejoramiento de insecticidas de banda verde por incorporación en ciclodextrinas, co-cristales y niosomas

La aplicación de agroquímicos para proteger granos y vegetales es una parte importante de los procedimientos corrientes en el manejo integrado de plagas ya que 20- 40% de la producción mundial potencial se pierde cada año por plagas, malezas y enfermedades. La necesidad de modificar la naturaleza química de los pesticidas para hacerlos más amigables con el ambiente llevó al desarrollo de un gran número de pesticidas clasificados como de banda verde, menos tóxicos, menos contaminantes y más selectivos que los tradicionales. Entre ellos se incluyen los insecticidas reguladores de crecimiento (IGR) seleccionados para este proyecto. Sin embargo, como compuestos orgánicos, tienen baja solubilidad acuosa lo que usualmente requiere de la formulación para su uso agrícola con otros vehículos como aceites o solventes que son contaminantes. Las regulaciones internacionales son cada vez mas estrictas en cuanto al uso de pesticidas por lo que es muy importante el desarrollo de tecnologías apropiadas para la utilización de compuestos de banda verde en los cultivos de la región. Nuestra propuesta se enfoca en generar formas alternativas (‘paquetes moleculares’ multi-componentes) de estos IGR que tengan mayor solubilidad acuosa que los compuestos no tratados, posibilitando su formulación en medio acuoso ambientalmente amigable. Las rutas elegidas comprenden la inclusión de los IGR dentro de sistemas nanoestructurados como la cavidad de ciclodextrinas (CDs), su incorporación en co-cristales y el encapsulado en niosomas. Las CDs son moléculas cíclicas biodegradables y no-tóxicas, formadas por unidades de glucosa. Los niosomas son vesículas microscópicas con un corazón acuoso encerrado por una membrana de surfactantes no iónicos que forman estructuras bicapa cerradas. Los co-cristales resultan de la interacción entre un compuesto y un co-formador con una estructura complementaria con el primero que permite la formación de enlaces puente H entre ambos. Los tres procesos involucran interacciones ‘suaves’ entre el IGR y la otra especie, dejando intacta la integridad biológica del insecticida. Se espera así obtener una diversidad de sistemas para diferentes opciones de formulación. Se eligieron IGR derivados de benzoilfenilurea (BPU), dibenzoilhidracinas (DBH) e isopreno, clasificados como clase U (unlikely to present acute hazard in normal use) por la OMS que tienen relativamente baja toxicidad para humanos y otros mamíferos, alta selectividad para insectos y muy poca solubilidad acuosa. Luego del aislamiento de las nuevas construcciones moleculares, se establecerán los efectos sobre las propiedades fisicoquímicas de los IGR. Se efectuarán estudios en estado sólido y en solución. Los complejos sólidos en CDs preparados por distintos métodos se examinarán por FTIR y RMN en estado sólido, microscopía FTIR, difracción de Rayos X de polvo y monocristales, TGA, DSC y microscopía ‘hot stage’. Por RMN, dicroísmo circular inducido y titulación calorimétrica isotérmica se estudiarán aspectos termodinámicos y estructurales de la inclusión en solución. El efecto sobre la solubilidad y estabilidad química de los IGR se investigará midiendo, respectivamente, las velocidades de disolución de los complejos y las velocidades de degradación de los IGR en presencia y ausencia de CDs. Para la obtención de co-cristales se usarán moléculas co-formadoras ‘GRAS’ (generally regarded as safe) elegidas en base a la complementariedad de sus grupos funcionales capaces de formar enlaces de H con los de los IGR. Las medidas de los puntos de fusión y velocidad de disolución son parámetros importantes para determinar su eventual utilidad. Los niosomas se prepararán en presencia de los IGR por distintas técnicas usando los surfactantes no iónicos y no tóxicos Tween 20 y 80, Span 20 y 80 y Brij-35. Se analizarán el tamaño y morfología de los agregados por microscopía de transmisión electrónica y se determinará la estabilidad en el tiempo de los niosomas por UV-vis.

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.

Desarrollo y Aplicación de Herramientas Teóricas, Numéricas y Códigos Computacionales en Dinámica de Gases para Ingeniería Aeronáutica

Objetivos generales: • Desarrollo de un código utilizando programación orientada objeto y Fortran 2003 para simulación de flujos de gases de alta entalpía incluyendo efectos químicos. • Mejora de técnicas numéricas con la finalidad de simular flujos gas dinámicos con alta entalpía y químicamente activos. • Mejora de la comprensión del fenómeno de intermitencia caótica. • Mejorar en la comprensión, implementación y utilización del código openFOAM para la simulación de flujos de interés en la industria aeroespacial. Objetivos específicos: • Poseer la capacidad de simular las ecuaciones de la dinámica de gases tridimensionales, químicamente activas y dependientes del tiempo usando volúmenes finitos mediante códigos propios. • Continuar con el desarrollo de la nueva teoría que permite una descripción más adecuada y precisa del fenómeno de intermitencia como una de las rutas hacia el caos. • Adaptar el código openFoam para la simulación de la dinámica del flujo de gases con elevada entalpía y/o reactivos. • Aplicación de los códigos desarrollados a la simulación de flujos de interés aeronáutico tales como chorros supersónicos, flujos supersónicos alrededor de objetos en vuelo atmosférico y procesos de combustión difusiva. Resultados esperados • Obtención de un código numérico en volúmenes finitos mediante programación orientada a objeto desarrollado en la UNC con la capacidad de simular flujos gas-dinámicos, tridimensionales, viscosos, químicamente activos y dependientes del tiempo. Este código será la base para un programa de multifísica en flujos gaseosos que en un futuro deberá incluir ionización y simulación de flujos magnetohidrodinámicos compresibles. • Desarrollo y/o mejora de técnicas numéricas para la solución de flujos gas-dinámicos químicamente activos. Se continuará con la investigación que usa distintas funciones limitadoras para distintas ondas. • Mejora del conocimiento sobre fenómenos que presentan intermitencia caótica. Se continuará con la teoría que está actualmente en desarrollo por integrantes del grupo en colaboración con investigadores de universidades de España. Principalmente se pondrá énfasis para obtener una formulación más general de la teoría mediante el desarrollo de una técnica de perturbación que permita aproximar cualquier función no lineal que gobierna el proceso de reinyección. • Implementación del código openFOAM para simular flujos supersónicos y procesos de combustión. Se generarán librerías específicas para utilizar este software en aplicaciones de flujos compresibles. • Se espera alcanza una mejor descripción numérica del fenómeno de chorros supersónicos sub-expandidos que impactan sobre paredes sólidas.