49 20 16285 https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20792/Ingenierias_2015_Ano_18_No_69_Octubre-Diciembre.pdf f59ff9bbd917db23b58a294d1895ea17 PDF Text Text ��69 Contenido Octubre-Diciembre de 2015, Año XVIII, No. 69 2 3 6 18 22 30 36 51 54 58 59 62 63 Directorio Editorial: Apuntes acerca de investigación Mauricio Cabrera Ríos Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot Francisco Eugenio López Guerrero, Horacio Martínez Calderón, Rafael Baruc Almaguer López, Adrián Emmanuel García Solís Uso de redes neuronales para reducir la dispersión de cálculos empíricos Elisa Zambrano Gómez, Luis Torres Treviño, Gina María Idárraga Ospina, Carlos Gaytán Cavazos, Juan José Saldívar Hinojosa Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible Alejandro Torres Castro, Marco A. Garza Navarro, Ubaldo Ortiz Méndez, Virgilio González González Evidencia de Sr2+ en Fe3O4 durante la síntesis de SrFe12O19 mediante poliol Felipe Nerhi Tenorio González, Ana María Bolarín Miró, Félix Sánchez De Jesús, Roberto Luis Palomino Resendiz, Claudia Alicia Cortés Escobedo, Pedro Vera Serna La búsqueda del plasma de quarks y gluones J. Rubén Morones Ibarra Eventos y reconocimientos Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Acuse de recibo Colaboradores Información para colaboradores Código de ética Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 1 �DIRECTORIO Ingenierías, Año XVIII, N° 69, octubrediciembre 2015. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Impresos Baez, Jesús M. Garza 3219 Oriente, Col Francisco I. Madero, Monterrey Nuevo León, México, C.P. 64560. Fecha de terminación de impresión: 15 de octubre de 2015. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2015 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván M.C. Jesús G. Puente Córdova Daniela Gutiérrez Dimas Redacción Gregoria Torres Garay Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster María de los Ángeles Baez Acuña Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL. COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio Ángel González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / M.C. Gabriel Martínez Alonso, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL. 2 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 �Editorial: Apuntes acerca de investigación Mauricio Cabrera-Ríos Catedrático Asociado y Director del Applied Optimization Group Departamento de Ingeniería Industrial Universidad de Puerto Rico, Recinto de Mayagüez mauricio.cabrera1@upr.edu Para todos los que deciden incorporar la investigación en su carrera dentro de una institución académica es inevitable tener que responder en algún momento a algunas preguntas: ¿Qué es la investigación? ¿De qué sirve? ¿Cómo se hace? ¿Es necesario hacerla? ¿A quién beneficia?. Por supuesto, con la experiencia se llega a una conceptualización personal sobre todas ellas, por lo que les comparto, especialmente a quienes empiezan en esta carrera, algunos aspectos básicos que surgen durante la búsqueda de respuestas. ¿Qué es la investigación? Una manera de tomar esta pregunta es adoptar como guía las definiciones provistas por instancias gubernamentales que se dedican a evaluar proyectos de investigación y asignarles fondos, como el CONACYT en México. En Estados Unidos, por ejemplo, una de las agencias federales es la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF – National Science Foundation). NSF define y categoriza lo siguiente: Investigación es el estudio sistemático dirigido a expandir el conocimiento científico o el entendimiento del área bajo estudio. La investigación se clasifica ya sea como básica o como aplicada de acuerdo con los objetivos de la agencia que la apoye económicamente. Investigación Básica es el estudio sistemático dirigido a profundizar el conocimiento o el entendimiento de aspectos fundamentales de fenómenos y de hechos observables sin una aplicación específica en términos de procesos o productos en mente. Investigación Aplicada es el estudio sistemático dirigido a expandir el conocimiento o entendimiento necesarios para determinar los medios por los cuales se puede satisfacer una necesidad. Desarrollo se define como la aplicación sistemática de conocimiento o entendimiento dirigida hacia la producción de materiales útiles, aparatos, sistemas o métodos, incluyendo el diseño, desarrollo y mejoramiento de prototipos y procesos nuevos para satisfacer requerimientos específicos. La investigación como una actividad escolástica de los profesores La investigación debe ser reconocida como una actividad escolástica que es parte de la carrera académica de los profesores en universidades y, definitivamente, como un componente crítico en instituciones públicas. Es trabajo Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 3 �Apuntes acerca de la investigación / Mauricio Cabrera Ríos. de los investigadores reafirmar esta posición. El esquema de categorización presentado por Boyer (Carnegie Foundation for the Advancement of Teaching, 2011) es particularmente interesante como uno de sinergia entre las múltiples actividades escolásticas: 1. 2. 3. 4. Descubrimiento. Relacionado con Investigación Básica. Integración. Relacionado con Trabajo Interdisciplinario. Aplicación. Relacionado con Investigación Aplicada y Desarrollo. Docencia y Aprendizaje. Dado que el tiempo es un recurso limitado para los profesores, las actividades escolásticas deben de ser consideradas dentro del balance con otras actividades de los departamentos académicos, tradicionalmente de servicio y administración, que también requieren de tiempo. Es muy importante que los planes estratégicos de cada departamento académico favorezcan la integración de los cuatro aspectos descritos anteriormente para alentar un ambiente académico enriquecedor que sirva además como medio para elevar la calidad de vida académica de los estudiantes, la pertinencia social y el logro académico. La investigación como un sistema Es posible esquematizar la investigación como un sistema con insumos, un proceso y productos, inmersa en un medio ambiente y con variables controlables, no controlables y medidas de desempeño. Para esta discusión, nos limitaremos a las partes principales de insumos, proceso y productos. Los insumos en investigacion incluyen –entre muchos otros-: tiempo, dinero, estudiantes, espacio físico, materiales, equipo, y –de manera esencial-, una sólida idea intelectual que guíe el trabajo. El proceso es uno de tipo interactivo que se lleva a cabo siguiendo muchas variaciones alrededor de un eje central: el método científico. Los productos de la investigación dependen –por supuesto- de la calidad de los insumos y del proceso e involucran conocimiento nuevo demostrable, verificable y repetible. Para demostrar novedad, verificabilidad y repetibilidad aunadas a la solidez técnica de una idea, es crítico que uno de los productos de la investigación sean publicaciones arbitradas en revistas de investigación. Otros productos técnicos dependerán de la naturaleza del trabajo definidas como se propuso al principio de este artículo. Éstos pueden incluir prototipos, código de programación, paquetería computacional, métodos matemáticos, teoremas, principios, protocolos técnicos, y patentes entre los muchos posibles. En un medio académico, la generación de conocimiento nuevo es tan importante como el entrenamiento y graduación de estudiantes. Es justamente a través de estos productos que la pertinencia para el desarrollo de la sociedad se establece. Un investigador, entonces, debe asegurarse de tener insumos de una calidad adecuada y en una cantidad suficiente para que la investigación suceda. Usualmente, ésto se logra a través de los fondos de investigación tanto públicos como privados. 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 �Apuntes acerca de la investigación / Mauricio Cabrera Ríos. El proceso de investigación se mantiene afinado a través de la discusión continua y la revisión de las ideas en desarrollo. Ésto se logra idealmente por medio de la participación activa en foros técnicos –conferencias, seminarios, congresos técnicos-, así como la publicación de resultados preliminares en memorias de conferencia preferentemente arbitradas. De forma importante, la definición de medidas de desempeño de la investigación debería permitir que éstas sean sensoras del estado de avance de una unidad académica y de una institución. Esta definición no es una tarea fácil, pues obedece a una naturaleza más bien estratégica (largo plazo) en medio de una serie de preocupaciones operacionales (corto plazo). La investigación como una fuerza de desarrollo La investigación a nivel nacional es fundamental para tener conocimiento propio que sea capitalizable en nuevas tecnologías –en su sentido más amplio de la palabra-. Es precisamente en el ciclo de entender, generar conocimiento nuevo, divulgarlo, aplicarlo para generar mejores productos y servicios, e impactar positivamente la sociedad para que siga invirtiendo en investigación, que se encuentra la columna vertebral del desarrollo. Por supuesto que hay más actores que afectan el desarrollo de un país -por ejemplo los legisladores y los dueños de las compañías-, pero las partes que aquí describo definitivamente son alcanzables para los investigadores. En momentos de escasez de recursos, es común poner en duda el valor de la investigación. Las historias clásicas de desarrollo de Estados Unidos, Inglaterra, Alemania, y las más nuevas de Corea, Brasil, India y China pasan todas por saber hacer investigación y en saber traducirla en beneficios estratégicos. En tiempos buenos, estas naciones han usado la investigación para establecer supremacía y en tiempos malos, para factibilizar la supervivencia. En todo caso, sin embargo, la investigación es imprescindible. Todo plan de desarrollo y de incremento de bienestar de un país debe incorporar la investigación como un pilar y no como un lujo ni como un accesorio. La tarea de llevarla a cabo, deberá recaer primariamente en los investigadores académicos. Hay que incorporarla en la carrera académica, considerarla como un sistema y asegurarse de que llegue a tener el impacto social debido para que cumpla con su ciclo de virtud. REFERENCIAS 1. NSF, Globalization of Science and Engineering Research, Arlington, VA (NSB 10-03) | January 2010 (http://www.nsf.gov/statistics/nsb1003/definitions. htm) 2. Pat Hutchings, Mary Taylor Huber, and Anthony Ciccone. The Scholarship of Teaching and Learning Reconsidered: Institutional Integration and Impact, Jossey-Bass, 2011. (http://www.carnegiefoundation.org/publications/thescholarship-teaching-and-learning-reconsidered-institutional-integration-andimpact) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 5 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot Francisco Eugenio López Guerrero, Horacio Martínez Calderón, Rafael Baruc Almaguer López, Adrián Emmanuel García Solís Cuerpo Académico de Sistemas Integrados de Manufactura Prof.Dr.Elopez@gmail.com RESUMEN Un fisiograma es el registro fotográfico de la trayectoria de una fuente luminosa en movimiento. Se hace tomando una fotografía y dejando abierto el obturador de la cámara mientras se realizan trazos con la luz en el aire. Este trabajo presenta el diseño y la construcción de una interfaz para la creación de fisiogramas con un robot dotado de una fuente de luz RGB. Mientras el robot mueve la luz, la trayectoria de ésta es capturada por una cámara fotográfica. La luz cambia de color durante el movimiento conforme al ángulo de inclinación de la pinza del robot con el uso de una unidad de medición inercial (IMU). El movimiento del robot es programado en base a figuras hechas en aplicaciones de dibujo por computadora. La interfaz incluye el control del robot para el disparador de la cámara y las transformaciones geométricas necesarias para que la figura pueda ser adaptada al volumen de trabajo del robot. Como resultado se muestran los dibujos de línea (clip-art) y los fisiogramas de figuras en el espacio R3 del robot. PALABRAS CLAVE Fisiograma, robot, unidad de medición inercial, disparador de cámara remoto. ABSTRACT A physiogram or light painting is a photographic technique in which exposures are made by moving a light source (or the camera). This work presents the design and construction of an interface for physiograms made with a robot equipped with a RGB LED. The LED is controlled with a ninertial measurement unit (IMU), and the light color changes with the robot´s wrist angle. The trajectories of the robot are drawn in a commercial CAD program. The interface includes a shutter camera control for the robot, and all geometric transformations needed to fit the CAD files in the R3 robots workspace. As result some physiograms and clip-arts are presented. KEYWORDS Light painting, robot, inertial measurement unit, remote camera shutter. 6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Fig. 1. Fisiograma resultado del robot haciendo la trayectoria de un clip-art hecho en la aplicación de dibujo CorelDraw. IINTRODUCCIÓN La sociedad actual está altamente estimulada a través de los sentidos del sonido y la imagen por sobre el resto. Los avances de la ciencia y la tecnología se han encargado de ello, además de parecer capaces de realizar hasta la más insólita de las tareas 1 o satisfacer la más mínima de las necesidades . 2-4 Los elementos tecnológicos han sido también utilizados como una herramienta en la forma de expresión. 5-7 Según Wikipedia, se llama aerosol, pintada o grafiti a varias formas de inscripción o pintura, generalmente realizadas sobre mobiliario urbano. En el lenguaje común, el grafiti es el resultado de pintar textos abstractos en las paredes de manera libre, creativa e ilimitada con fines de expresión y divulgación, como parte de un movimiento urbano. Un fisiograma, popularmente conocido como “light painting” (o pintura de luz), es el registro fotográfico de la trayectoria de una fuente luminosa en movimiento en un ambiente con poca luz. Es para efectos prácticos un grafiti virtual. La técnica de lightpainting existe desde el siglo pasado, y actualmente se ha enriquecido conforme a la modernidad tecnológica en cámaras, lentes y dispositivos para generar luz. No es nueva la idea de utilizar un mecanismo, robot 8-10 o vehículo autónomo o controlado remotamente 11 para hacer fisiogramas. En lo que a robótica se refiere, el trabajo de Clemens Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Weisshaar and Reed Kram 8 en Trafalgar Square merece especial mención. Estas premisas y el espíritu reflexivo e innovador de los autores dieron origen a trabajar con estudiantes de ingeniería relacionados con el diseño y experiencia estéticos, persiguiendo ampliar las fronteras del acto creativo, en el proceso de diseño y construcción utilizando los recursos tecnológicos más modernos a su alcance. Este trabajo no entra al debate sobre las cualidades artísticas de los objetos, métodos y procesos, pero como contribución ofrece un panorama de aplicación de herramientas de creación de última tecnología. El objetivo principal es construir un sistema automatizado para la realización de fotografías de lightpainting (fisiogramas) utilizando un brazo robot con una fuente de luz con color controlado. Para lograrlo es necesario alcanzar las siguientes metas: • Diseñar un sistema de luz que cambie de color conforme al ángulo de inclinación de la gravedad terrestre. • Diseño y elaboración de un programa de transformaciones geométricas para que el robot trace figuras de computadora en su espacio de trabajo. • Construir un sistema para que el robot dispare una cámara fotográfica DLSR y realice los fisiogramas de manera automatizada. El presente proyecto apoya los trabajos desarrollados por los autores sobre optimización geométrica, en el desarrollo de un sistema que permita la manipulación de objetos de geometría compleja. METODOLOGÍA Para la realización de los fisiogramas es necesario considerar algunas variables que influyen en la estética de éste 12. En la mayoría de las aplicaciones se consigue un buen fisiograma cuando las condiciones son de poca o nula luz. Las consideraciones la estética son subjetivas y dependen del gusto o criterio del autor del fisiograma. Algunas consideraciones de estética son: • Las condiciones de iluminación ambientales juegan un papel determinante para conseguir la figura del trazo con contraste y, si se desea, 7 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. que en la fotografía aparezcan los objetos a su alrededor. • La velocidad de movimiento de la fuente de luz influye en la definición del trazo. • La intensidad de la fuente de luz debe ser acorde a la iluminación ambiental. • El tamaño de la fuente de luz con respecto al tamaño de la figura a trazar. • La estética global del efecto final es subjetivo al criterio del observador. Por medio de ensayos y error se ajustaron los valores de velocidad de movimiento de la fuente de luz y el tiempo de exposición de la cámara, haciendo éstas acorde a las condiciones fijadas por el ambiente en donde está instalado el robot. El tamaño de la figura de trazo está determinado por el espacio de trabajo del robot. El tamaño y la intensidad de la fuente de luz están determinados por los valores de construcción del diodo emisor de luz. La metodología utilizada fue en las etapas listadas a continuación: 3. Disparador de cámara DLSR. Diseño y construcción de un disparador para una cámara DLSR por medio de bluetooth, permitiendo al robot activar la cámara al inicio del movimiento en el momento apropiado. Ver referencia 13. 4. Tratamiento de datos. Programación de una interfaz de usuario para convertir un archivo de tipo clip-art en un programa del robot. Fig. 2. Situación de la solución planteada para la elaboración de fisiogramas. 1. Modelo cinemático del robot. Obtener los valores tecnológicos de la arquitectura del robot para adaptar la información de trazo deseado a condiciones que den un resultado estético. 2. Fuente de luz de color controlado. Diseño y construcción de la fuente de luz utilizando un diodo emisor de luz RGB, controlado por una unidad de medición inercial. Esto permite al robot cambiar el color del haz de luz simplemente inclinando la pinza con respecto al vector de gravedad terrestre. 8 Fig. 3. Dimensiones del robot utilizado: (a) dimensiones de construcción según el manual del robot y (b) reconstrucción por computadora utilizando software de CAD. Se destacan las articulaciones. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. MODELO CINEMÁTICO DEL ROBOT Sea {L} (ecuación 2) el vector de valores de construcción según la información de la figura 3a y {θ} (ecuación 3) el vector de valores de posición según la información de la figura 3b. La ecuación (1a) calcula la traslación para cualquier sistema local de coordenadas, mientras que las ecuaciones (1b, 1c, 1d) calculan las rotaciones X, Y, Z de los ejes locales con respecto al sistema universal. (ec. 1a) (ec. 1b) (ec. 1c) La multiplicación de las transformaciones geométricas mostradas en la ecuación 4 representa el modelo del mecanismo. TGT = TG0*TG1*TG2*TG3*TG4 (ec. 5) TGT es también una matriz homogénea 3D, por lo que las coordenadas del punto central de la pinza TCP es la columna resultado de la matriz. TCP = TGT<3> (ec. 6) Los alcances del TCP según los grados de libertad (GDL) generan el volumen de trabajo que se muestra en la figura 4a. Los planos de trabajo para las trayectorias 2D de fisiogramas deben estar contenidos en este volumen. Existe un número n de planos que cumplen con esta condición de alcance del TCP. En la figura 4b se muestran tres calculados a partir de los límites medidos que se muestran en la tabla I. (ec. 1d) Los valores de distancia entre cada articulación de la cadena son: LT = (388 39.92 70 280 230 111 131) (ec. 2) Que incluye la compensación de la pinza (cota no dada en la figura 3a). El valor 39.92mm es el valor dimensional de profundidad normal al plano de la figura 3a y puede apreciarse como la distancia entre el eje de la articulación 0 y el de la articulación 3 en la figura 3b. Los valores angulares están dados por la constante de resolución del codificador angular y el valor numérico del contador de pulsos: (ec. 3) La matriz {TG} representa las transformaciones geom ét ri cas d e l os eje s l oca les de cada articulación. TG0 = T(0,L0,0)*Ry(θ0) TG1 = T(L1,0,0)*T(0,0,L2)*Rx(θ1) TG2 = T(0,0,L3)*Rx(θ2) TG3 = T(0,0,L4)*Rx(θ3) (ec. 4) TG4 = T(0,0,L5)*Rz(θ4)*T(0,0,L6) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Fig. 4. Espacio de trabajo del robot: (a) Volumen máximo teórico considerando todos los GDL de la figura 3a y (b) Planos de trabajo experimentales trazados dentro del volumen máximo teórico (ver tabla I). 9 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Los límites presentados en la tabla I fueron encontrados experimentalmente, posicionando el brazo en un punto en posición relajada y llevando el TCP a diferentes valores calculados de puntos en el plano. Tabla I.- Coordenadas medidas del volumen de trabajo del robot para generar los planos principales. Plano Punto X (mm) VTF1 285.408 Lateral derecho VTD0 486.176 -306.897 Lateral Izquierdo VTD2 VTI0 556.995 -212.143 -123.113 VTI2 41.403 339.094 -598.673 Frontal VTF0 VTF2 VTD1 VTI1 Y (mm) Z (mm) 98.156 -588.618 255.942 272.623 -454.543 525.531 560.636 -436.232 -83.583 -536.839 -543.257 303.713 280.294 311.159 597.026 344.305 339.094 620.91 Más adelante, en la sección dedicada al algoritmo de generación de código de movimiento para el robot, se muestra el cálculo de los planos en base a los valores de la tabla I. FUENTE DE LUZ DE COLOR CONTROLADO El sensor de velocidad angular es llamado giroscopio y el sensor de aceleración lineal es llamado acelerómetro. La utilización de acelerómetros y giroscopios para la determinación de posiciones angulares y estabilidad de sistemas de navegación inercial es cada vez más frecuente. Estos dispositivos de bajo costo pueden ser fácilmente incorporados en una unidad de medición inercial. La principal dificultad es que las medidas de orientación obtenidas por el giroscopio acumulan error con el paso del tiempo, por lo que hay que implementar un algoritmo de corrección de error para reducirlo. El acelerómetro es usado para medir la inclinación con respecto a la gravedad. El eje horizontal corresponde a una medición de aceleración cuyo valor es igual a cero. La posición vertical corresponde al valor de 1g. La ventaja del acelerómetro es que siempre tiene a la gravedad como referencia para obtener la inclinación. Su desventaja es la sensibilidad a otras aceleraciones debido a la sacudida o movimiento. Es posible suprimir aceleraciones parásitas por medio de un filtrado 10 Fig. 5. Representación gráfica de los valores vectoriales a sensar con un giroscopio y su relación con los niveles RGB del LED usado en este trabajo. realizado con programación. 14 Se puede medir la inclinación con un acelerómetro en el eje horizontal utilizando la función trigonométrica tangente. Por lo tanto, medimos la aceleración en el eje perpendicular y en el plano paralelo a la superficie de la Tierra. La figura 6 muestra el comportamiento del acelerómetro y del giroscopio por separado. Combinación de los sensores El giroscopio es muy exacto en un periodo de tiempo corto pero para periodos largos de tiempo, Fig. 6. Señal medida del (a) acelerómetro y (b) giroscopio. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. es inutilizable debido al error acumulado. El error del acelerómetro es estable durante el tiempo pero es más grande que el error del giroscopio. Ambos sensores se encuentran en el mismo eje y miden la misma magnitud. El valor de salida del giroscopio es restado del valor de rotación absoluto del sensor. Producto de esto es equivalente a integrar el error del giroscopio con ruido del valor de rotación absoluto del sensor. El filtro implementado elimina el ruido y la salida de este filtro es la estimación de la integral del error. La salida del giroscopio es restada por esta estimación. El resultado es una señal sin error de integración y sin ruido. el vector resultante de aceleración que actúa sobre el sensor debido a que modifican el ángulo calculado con respecto a este mismo vector. 15 Rango de colores del sistema Últimamente la tecnología LED ha alcanzado un gran auge debido a la gran cantidad de ventajas que posee en comparación a la iluminación proporcionada por otros dispositivos tradicionales como los focos y lámparas. Algunas de estas ventajas son: los LED poseen un mayor tiempo de vida, un significativo ahorro de energía, mayor flexibilidad en aplicaciones de uso rudo y también su bajo costo. Condiciones de filtrado La condición para que la información del acelerómetro sea útil, es que el acelerómetro sólo sea sometido a la aceleración de la gravedad y no a las aceleraciones de movimiento del robot que alteraría Fig. 8. Integración de la señal de salidad de la unidad de medición inercial con Excel. Fig. 7. Condiciones de filtrado del sistema de la unidad de medición inercial: (a) diagrama a bloques del flujo de información y (b) señal resultante en experimentos preliminares. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Los sistemas de iluminación con LEDs RGB se están haciendo bastante populares e impulsados de la mano de la visualización digital, debido a la amplia gama de colores que se puede generar. Las componentes vectoriales de un sistema RGB son proporcionales a la representación cromática de cada color que el LED es capaz de proporcionar. El sistema aquí descrito se puede emplear en distintas aplicaciones en las que se desee buscar una 11 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. amplia gama de colores para la iluminación, con un control por medio de la variación de la posición angular del dispositivo. 16 La figura 9a muestra la intensidad de los colores primarios (rojo, verde y azul) necesaria para generar la gama de colores que puede tomar el LED. 17 La figura 9b muestra la coloración resultante en la trayectoria debido al control utilizando la unidad de medición inercial. a) b) Fig. 10. Disparador para la cámara fotográfica DLSR: (a) Tarjeta desarrollada para el Arduino Mini, y (b) tarjeta completa con el módulo Bluetooth. Nótese que en el diseño se minimizó el tamaño. Fig. 9. Relación de las componentes de luz contra el ángulo de inclinación del control basado en la unidad de medición inercial: (a) valores numéricos RGB del LED vs ángulo de inclinación del dispositivo con respecto a la gravedad y (b) fisiograma utilizando el dispositivo terminado. DISPARADOR DE LA CÁMARA DLSR Esta etapa del trabajo consiste en la elaboración de un disparador remoto el cual controla el momento de apertura del obturador de la cámara haciendo uso de la tecnología Bluetooth, 18 eliminando el uso de las conexiones mediante cables lo cual en consecuencia brinda libertad de posicionamiento a la cámara. El diseño del disparador remoto, está basado en un Arduino Pro mini 328 5v/16 MHz. El programa 12 ejecuta diferentes comandos recibidos vía Bluetooth, como en las referencias. 19-21 El propósito es hacer un proceso semiautomático [ver referencia 22] para tomar fotografías, donde el usuario ingresa un intervalo de tiempo, ya sea en segundos o minutos, que conforman un lapso de tiempo de espera entre fotos. Un bit del puerto de salida controla la función de enfoque (Focus); otro bit del puerto controla el disparo (Shutter). Estos bits del puerto se definieron como comandos y se les asignó con las letras “s” y “f”. La sintaxis completa de comando es : ‘<’ + “comando” + ‘>’ En donde los símbolos ‘<’ y ‘>’ son el inicio y final de la cadena de caracteres del comando. El listado de los comandos con su sintaxis, descripción y significado se muestran en la tabla II. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Tabla II. Comandos del disparador para el control de la cámara. NOMBRE VAR CMD DESCRIPCION Apagado Off “a” Shutter Sh “o” Segundos Seg “s” Minutos MM Número de fotos NumFotos “m” Al ejecutar el comando s e gu a rd a e l v a l o r numérico en la variable minutos. Auto Focus Af Disparador Disparador “f” Apaga las acciones de shutter y auto focus. Abre el obturador. Activa el focus y lo apaga después de un segundo, después abre el obturador en repetidas ocasiones. Al ejecutar el comando s e gu a rd a e l v a l o r numérico en la variable segundos. “@” Al ejecutar el comando s e gu a rd a e l v a l o r numérico en la variable fotos. “d” Continuar Run “u” Salir Stop “z” Pausa Pausa “p” Enfocar As “q” Solamente enfocar AS “x” Abre el obt urado r repetidas veces. Continúa la ejecución del programa después de una pausa. Termina la ejecución del programa, inicializa las variables de tiempo y numero de fotos en 0. Suspende la ejecución del programa. Activa el Focus y después de un segundo abre el obturador. Activa el Focus y después de un segundo abre el obturador. Al pasar medio segundo cierra el obturador. TRATAMIENTO DE DATOS: DEL DIBUJO POR COMPUTADORA A LA GENERACIÓN DEL PROGRAMA DEL ROBOT El tratamiento de datos consiste en calcular las coordenadas del TCP a partir de las coordenadas de dibujo y el cambio de formato en la información proveniente del dibujo a comandos de movimiento y control de periféricos para el robot. La figura 12 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Fig. 11. Diagrama a bloques del flujo de información y tratamiento de datos en las diferentes etapas del proceso de elaboración de un fisiograma. muestra en etapas numeradas los procesos para lograrlo. 1. Dibujo hecho por computadora con un programa comercial. Para este trabajo se utilizó CorelDraw. 2. El dibujo es exportado a un archivo PLT en formato de lenguaje de descripción de gráficos de Hewlett & Packard. 23 3. El archivo de configuración CFG del robot. Las variables contenidas en el archivo son: el vector de puntos {P} para el cálculo de los planos de trabajo, la velocidad de movimiento y un retardo de arranque. 4. Con la información de (3) el algoritmo de conversión (ver pseudocódigo) arroja como resultado un archivo ACL con código para el robot. 5. El código de movimiento es suministrado al robot. 6. Con el archivo ACL ejecutándose en el sistema operativo del robot, el robot activa el disparador de la cámara y mueve la fuente de luz. 7. La cámara posicionada de manera conveniente y estable recibe el comando (ver tabla II) y registra el fisiograma. 8. Fisiograma resultado. En la figura 13 se muestra el vector de puntos {P} para la elaboración del plano de una trayectoria de Bezier. La figura 13b es una fotocomposición que muestra de forma clara este proceso de cálculo. 13 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Fig. 13. Planos de trabajo experimentales para los fisiogramas: (a) cálculo del plano para una trayectoria en base a {P} y (b) fotocomposición del experimento con los valores de 13a. El algoritmo de conversión (ver figura 14) para calcular las coordenadas del TCP a partir de las coordenadas de dibujo utiliza el cambio de base con una matriz M de rotaciones y escalamiento que contiene los vectores del sistema de coordenadas locales: (ec. 7) EjeX=V1 EjeZ=N Fig. 14. Diagrama de flujo para el algoritmo de conversión de coordenadas de dibujo al plano de trabajo del robot. Los detalles de conversión de formato pueden mostrarse mejor por medio de un pseudocódigo: (ec. 8) EjeY=EjeX × EjeZ M=[EjeX,EjeY, EjeZ] (ec. 9) PT=M·Pi+O Donde PT: punto proyectado en el plano en R3 M: matriz de transformación Pi: punto de la geometría de computadora O: origen cartesiano local al plano igual a P0 14 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. En la figura 15 se muestra gráficamente la operación del algoritmo. Fig. 15. Representación de las transformaciones geométricas y generación de código ACL para el robot. RESULTADOS A continuación se presentan algunos fisiogramas resultado de este trabajo: Fig. 16. Ejemplo resultado de fisogramas preliminares.(a) con control de color monocromático y (c) control policromático. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Utilizando la misma metodología se ha iniciado la versión tridimensional. La figura 17 muestra una superficie de tensor hecha con curvas de Bezier. La figura 18a muestra una figura 3D realizada con un programa de CAD. La figura 18b muestra el fisiograma hecho con la nube de puntos del archivo 3D discretizado con triángulos. Fig. 17. Fisiograma de una superficie de tensor hecha con curvas de Bezier. Fig. 18. Prueba preliminar de aplicación 3D. (a) Geometría 3D discretizada con triangulaciones y (b) Fisiograma en forma de nube de puntos de los vértices de los triángulos. 15 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se diseñó e implementó una metodología para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot. Se obtuvieron las coordenadas de los planos de fisiogramas 2D contenidos en el volumen de trabajo del robot. Se desarrolló un algoritmo de transformaciones geométricas para la proyección de geometrías de computadora en el espacio del robot. Se encontraron los valores de ajuste para una cámara fotográfica DLSR. También se desarrolló con éxito un control electrónico inalámbrico para que el robot active la cámara. Finalmente se desarrolló una fuente de luz de color variable basada en una unidad de medición inercial para que -utilizando el ángulo de inclinación de la pinza del robot con respecto a la gravedad terrestre- la fuente de luz cambie de color. Finalmente se obtuvieron fisiogramas con relativa buena estética. Los valores de los resultados arrojados en este trabajo permiten hacer las siguientes consideraciones para mejoras a futuro: • Utilizar diferentes filtros de densidad neutra para oscurecer el ambiente y/o aumentar el tamaño del código y la velocidad de movimiento. • Hacer pruebas estéticas con diferentes tipos de lentes objetivo, como grandes angulares. • Mejora en la automatización del proceso de transferencia de código para poder hacer dibujos más complejos. 24 • Las pruebas preliminares con geometrías 3D de CAD permiten suponer un mejor éxito si se estructuran los procesos tanto como los de 2D. • Hacer una clasificación para diferentes tipos y clases de fisiogramas. • Hacer un cuadro de contrastación para diferentes aplicaciones. Se espera, sin embargo, que los alcances del trabajo aquí presentado puedan ser utilizados con supervisión de artistas gráficos para la creación de fisiogramas de geometría y colorido complejo, así como la posibilidad de montaje en exposiciones locales. RECONOCIMIENTOS Y EQUIPO UTILIZADO El presente trabajo fue realizado por miembros del cuerpo académico Sistemas Integrados de 16 Manufactura UANL CA-166. Se utilizó el equipo de las instalaciones del Departamento de Mecatrónica de la FIME-UANL: • Robot Eshed Robotec IX-Pro. • Rhinoceros v4 dotado del módulo RhinoVB. NET SDK. • MathCAD R14 para cálculos. • SolidWorks v2007. • MicroSoft Visual Studio. .NET Framework 2.0. VB.NET Express 2010. • Cámara DLSR Canon 7D. • Licencia de software para el tratamiento de puntos Geomagic Studio/Qualify v8. Los autores agradecen a la ingeniera y artista Adriana Flores (también conocida como Adriana Dib en el mundo de la plástica) por ser una de nuestras fuentes de inspiración para la realización de este trabajo. REFERENCIAS 1. Yanru, Z., Guohui, T., Xin, G., Fengyu, Z. The design and application of human attitude detector based on inertial measurement unit. Chinese Control and Decision Conference (CCDC), 9781-4244-8738-7/11 IEEE 2011. p2772-2777. 2. 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Robot drawing Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. techniques for contoured surface using an automated sketching platform. Proceedings of the 3rd Annual IEEE Conference on Automation Science and Engineering Scottsdale, AZ, USA, Sept 22-25, 2007. p735-740. 7. Yao, F., Shao, G. Painting brush control techniques in chinese painting robot. IEEE International Workshop on Robots and Human Interactive Communication 2005 0-7803-9275-2 p462-467. 8. Luxo, a robotic light sculpture: http://everyware. kr/home/portfolio/luxo/ 9. Robot creates beautiful light paintings: http:// spectrum.ieee.org/automaton/robotics/diy/ beautiful-light-paintings-from-thymio-ii 10. Xu, Z., He, W., Yuan, K. A real-time position and posture measurement device for painting robot. ISBN 978-1-4244-8036-4. Electric Information and Control Engineering (ICEICE), 2011 International Conference. p1942-1946. 11. Light painting photos shot using an RC helicopter: http://petapixel.com/2012/05/10/light-paintingphotos-shot-using-an-rc-helicopter/ 12. Belluomo,P., Camerano,C., Fortuna, L., Frasca, M. From kinetic art to immaterial art through chaotic synchronization. International Journal of Bifurcation and Chaos, Vol. 20, No. 10 (2010) p.3379–3390. World Scientific Publishing Company. 13. Sagiroglu, S., Yilmaz, N., Wani, M. Web Robot Learning Powered By Bluetooth Communication System. Proceedings of the 5th International Conference on Machine Learning and Applications (ICMLA’06). IEEE ISBN 0-7695-2735-3. p149156. 14. Skula, D., Vesely, M. Three axis rotation measurements with Kalman filter data-fusion. Annals of DAAAM & Proceedings; Jan 2009, ISBN 978-3-901509-70-4. Vienna, Austria. p1079-1080. 15. Shi, G., Zou, Y., Jin, Y., Cui, X., Li, W. Towards Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 HMM based human motion recognition using MEMS inertial sensors. Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Bangkok, Thailand. p1762-1766. 16.Stone, M. Representing colors as three numbers. Published by the IEEE Computer Society, July/ August 2005. IEEE 0272-1716/05. p78-85. 17.Ackermann, B., Schulz, V., Martiny, C., Hilgers, A., Zhu, X. Control of LEDs. Industry Applications Conference, 2006. IEEE Vol 5, ISSN 0197-2618. p2608-2615. 18.Liu, Y., Li, S., Cao, L. Application of bluetooth communication in digital photo frame. ISECS International Colloquium on Computing, Communication, Control, and Management. 2009 p370-373. 19.Piyare, R., Tazil, M. Bluetooth based home automation system using cell phone. 2011 IEEE 15th International Symposium on Consumer Electronics. p192-195. 20.Potts, J., Sukittanon, S. Exploiting bluetooth on android mobile devices for home security application. Southeastcon, 2012 Proceedings of IEEE. ISSN 1091-0050. 21.Qadeer, M., Agrawal, R., Singhal, A., Umar, S. Bluetooth enabled mobile phone remote control for PC. International Conference on Advanced Computer Control 978-0-7695-3516-6/08 International Conference on Advanced Computer Control 2008 IEEE 22.Kao, W., Hong, C., Lin, S. Automatic sensor and mechanical shutter calibration for digital still cameras. IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 51, No. 4, November 2005. p1060-1066. 23.Lenguaje Hewlett & Packard de descripción de gráficos: http://es.wikipedia.org/wiki/HPGL 24.Bi, Z., Lang, S. Automated robotic programming for products with changes. International Journal of Production Research, Vol. 45, No. 9, 1 May 2007, p.2105–2118. 17 �Uso de redes neuronales para reducir la dispersión de cálculos empíricos Elisa Zambrano GómezA, Luis Torres B Gina María Idárraga Ospina , Carlos Gaytán Juan José Saldívar HinojosaA A B TreviñoB, CavazosA, Prolec GE, Apodaca, NL FIME UANL ezambranog@gmail.com RESUMEN Los modelos empíricos se generan normalmente con una muestra finita de valores, pero cuando los datos de entrada se encuentran en un rango diferente a aquella muestra, el modelo puede tener cierta dispersión. En algunos casos esa dispersión es marginal, sin embargo en cálculos de pérdidas de fierro en un transformador, esta diferencia puede representar sumas importantes de dinero. Por lo tanto en este trabajo se utiliza exitosamente un modelo de redes neuronales para reducir dicha dispersión, considerando como datos de entrada el histórico de los resultados del cálculo para poder estimar de manera más precisa el valor real. PALABRAS CLAVE Redes Neuronales, Modelos Empíricos, Dispersión en Cálculos, Perdidas sin Carga ABSTRACT Empiric Models are generated based on a finite number of sample values. Nonetheless, when you are introducing data to the model that differs from the data range the model was generated from, the results may vary. In most cases this variation is marginal and it can still be consider useful, but in some cases such as predicting losses in a transformer, a small variation can sum up a large additional cost. Based on this, during this study a neural network is used to estimate in a more accurate fashion, core losses, using a year’s worth database from transformer testing. KEYWORDS Neural Network, Empirical Model, Dispersion on Numerical Models, No load losses INTRODUCCIÓN Las pérdidas más importantes de un transformador son las pérdidas con carga y pérdidas sin carga. Las pérdidas con carga son aquellas derivadas de la bobina, mientas que las pérdidas sin carga son generadas por el núcleo del transformador. Ambas son determinantes en el diseño de cualquier tipo de trasformador y 18 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Uso de redes neuronales para reducir la dispersión de cálculos empíricos / Elisa Zambrano Gómez, et al. por lo tanto en el costo del mismo. Aunque las pérdidas sin carga se presentan en menor magnitud, su relevancia es alta debido a que no importa el consumo del usuario, siempre se incurre el mismo valor de ellas. Con las recientes regulaciones como la DOE2016 en Estados Unidos y la NOM-SEDE-002-2014 en México, donde las eficiencias mínimas para el diseño de un transformador cada vez son más agresivas, la exactitud del cálculo para predecir dichas pérdidas se vuelve más relevante. El modelo actual de pérdidas sin carga en Prolec GE se desarrolló empíricamente, tomando en cuenta la curva de saturación de una población de aparatos determinada, según su línea de producto. Sin embargo, se ha encontrado una dispersión en el cálculo, donde en algunas ocasiones se presenta una subestimación de pérdidas de fierro y en otras una sobreestimación. La figura 1 muestra una dispersión en el R/D (valor real obtenido en pruebas/ valor calculado) de las medias poblacionales en 5 aparatos seleccionados de forma aleatoria de la categoría monofásicos tipo poste. METODOLOGÍA Para abordar esta problemática, se recurrió a un modelo de redes neuronales, el cual pudiera relacionar las variables A, B, C y D de entrada de cada diseño con su salida de R/D. Las variables A, B, C y D fueron características del núcleo que según autores como Chapman1 y Kulkarni2 podían influir en el comportamiento de sus pérdidas. Se utilizó una base de datos de más de 1200 diseños de transformadores tipo poste monofásico, cada uno con más de 100 aparatos fabricados. De cada uno de estas poblaciones se obtuvo el valor R/D promedio. Con esta información se generó un modelo de predicción de pérdidas utilizando una red neuronal del tipo Perceptron Multicapas. El modelo se corrió en un software Scilab 5.5. Las redes neuronales de este tipo, permiten resolver problemas que no son linealmente separables. Estas poseen la característica de tener capas que no son visibles ni al input ni al output, como se muestra en la figura 2. Tienen la capacidad de separar inputs en múltiples funciones lineales y detectar patrones más complejos que la red de una función lineal. Fig. 2. Funcionamiento de una red neuronal del tipo multicapas. Fig. 1. R/D de pérdidas sin carga para diferentes poblaciones de diseños. Se decidió seleccionar este tipo de aparatos ya que representan el mayor volumen de ventas para la empresa y por lo tanto el mayor impacto. El objetivo de este proyecto es el de reducir la dispersión en el cálculo de las pérdidas sin carga en la línea de transformadores monofásicos tipo poste; logrando una mayor precisión en el mismo, y con ello obteniendo una reducción en costos de materiales. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 EXPERIMENTACIÓN En el software Scilab 5.5 se estuvieron corriendo múltiples pruebas con el modelo de la red neuronal. El objetivo era el de encontrar por medio de los parámetros principales: número de épocas, coeficiente alfa y la variable de aprendizaje eta, un modelo que presentara un error menor a 0.01. Con un valor de 2 mil épocas, un alfa de 0.12 y una eta de 0.25 se logró generar un modelo con un valor de error de 0.0046, por lo cual el modelo se reconoció como exitoso. 19 �Uso de redes neuronales para reducir la dispersión de cálculos empíricos / Elisa Zambrano Gómez, et al. momento se recurrió a la literatura3,4,5 para analizar si las variables de entrada que se habían considerado eran las correctas o eran suficientes para poder mejorar la predicción de las pérdidas sin carga. Se estuvieron corriendo modelos de la red neuronal con diferentes variables de entrada y repitiendo al análisis retroactivo para ver su relevancia con respecto al modelo. Finalmente se seleccionaron las variables E, F, H e I como las que mejores resultados arrojaban al modelo. Los resultados del comportamiento de la red neuronal bajo este segundo juego de variables se encuentran en la tabla II. Tabla. II Resultados de R/D arrojados por la red neuronal con el segundo juego de variables. Fig. 3. a) Desempeño del modelo de la red neuronal b) error obtenido en el modelo. Diseño Valor Real A 0.9704 B C En la figura 3a y 3b se puede observar el comportamiento de la red. D RESULTADOS Una vez establecido el modelo, este se utilizó el de forma retroactiva para comprobar su validez. Se introdujeron como datos de entrada al modelo la información de un diseño cuyo valor de R/D era conocido para comprobar efectividad. Los resultados se muestran en la tabla I. Dados estos resultados, fue evidente que el modelo no estaba funcionando de la manera esperada. En este G Tabla. I Resultados de R/D arrojados por la red neuronal. Diseño Valor Real A 1.03912 B C D E F G 20 Resultado Red Neuronal % de Diferencia 1.00718 1.0779 7.0% 0.951234 1.0573 11.2% 1.07162 10.5% 1.01615 0.9655 1.0725 0.971376 1.06177 1.03982 0.95877 0.96995 -7.1% 5.5% 9.3% -7.8% E F 1.00718 1.03534 0.97137 1.00772 0.99663 1.04182 Resultado Red Neuronal 0.98726 1.03977 1.03977 0.98727 0.9872 0.9872 1.03976 % de Diferencia 1.7% 3.2% 0.4% 1.6% -2.0% -0.9% -0.2% Basados en esta muestra de diseños aleatorios con los cuales se realizó la validación del modelo, se pudo comprobar que el modelo propuesto era superior al modelo actual de la empresa para la predicción de las pérdidas sin carga. CONCLUSIONES Se desarrolló un modelo multivariable para la predicción de las pérdidas sin carga en transformadores monofásicos tipo poste utilizando una red neuronal multicapas en el software Scilab 5.5. El modelo se consideró exitoso al presentar una desviación promedio del 0.6% con respecto a los valores previamente conocidos durante un ejercicio retroactivo. Para reducir aún más la dispersión se pudiera buscar un sistema de cómputo más avanzado con la capacidad de refinar aún más el modelo. Sin embargo la aplicación de este nuevo modelo de perdidas sin Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Uso de redes neuronales para reducir la dispersión de cálculos empíricos / Elisa Zambrano Gómez, et al. carga en el diseño de los transformadores de tipo poste monofásico ya presenta una ventaja sustancial contra el modelo que actualmente se utiliza en la compañía. AGRADECIMIENTOS A Prolec GE por el financiamiento de la beca para la Maestría Eléctrica y la disponibilidad de tiempo que nos brindó. Al equipo de Desarrollo Tecnológico de Prolec GE por su constante apoyo. Al Dr. Luis Torres por apoyo en la realización de este proyecto. REFERENCIAS 1. Chapman, S. Electric machinery fundamentals (4th ed.). New York, NY: McGraw-Hill Higher Education, 2005. 2. Kulkarni, S., & Khaparde, S. Transformer engineering: Design and practice. New York: Marcel Dekker, 2004. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 3. Hsu, C., & Lee, C. Effects of magnetostriction and magnetic reluctances on magnetic properties of distribution transformers. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 115 página 17. 4. Liangxian, Z.. Algorithm for calculating no-load losses of single-phase transformer core with steplap joints. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, vol.48 página 4. 5. Hernandez, I.. Core loss and excitation current model for wound core distribution transformers. International Transactions on Electrical Energy Systems, 2014, vol.24 página 1. 6. Souza, K.. Prediction of core losses on a threephase transformer using neural networks. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2011. 7. Wang, X. Calculation and validation of iron loss in laminated core of power and distribution transformers. The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic, 2014, vol. 33 página 1. 21 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible Alejandro Torres Castro, Marco A. Garza Navarro, Ubaldo Ortiz Méndez, Virgilio González González UANL-FIME alejandrotorres73@yahoo.com, virgilio.gonzalezgnz@uanl.edu.mx RESUMEN Después de analizar brevemente las características de población, localización, crecimiento, producción de cera y su composición de la planta Euphorbia antisyphilitica Zucc (candelilla), se reporta un procedimiento para producir por cracking – destilación fraccionada, un biocombustible líquido formado sustancialmente por alcanos y 1-alquenos de hasta 18 átomos de carbono en un 97%, con excelente pureza y un poder calorífico equiparable al biodiesel y biodiesel comercial, proponiéndose así como una opción en la producción de energía renovable, para lo que conviene establecer programa(s) para el aprovechamiento de la candelilla que involucren su reforestación o establecimiento de plantíos. PALABRAS CLAVE Semidesierto, energía renovable, candelilla, cera, cracking. ABSTRACT After a briefly analysis of the localization, population, growing and wax production, (including its composition), of the Euphorbia antisyphilitica Zucc plant (candelilla), is reported a process for production by cracking-fractional distillation of a liquid biofuel. The fuel contain mainly alkanes and 1-alkenes of 18 or less carbon atoms (97 %), have excellent purity and with a calorific power comparable with a commercial diesel and biodiesel. The plant is proposed as an option in the production of renewable energy, for what should be established program(s) for the use of candelilla involving reforestation or establishment of plantations. KEYWORDS Semi-arid land, renewable energy, candelilla, wax, cracking. INTRODUCCIÓN Los paradigmas que establece la sustentabilidad entre otros están: el aumentar la eficiencia en el uso de la energía y el establecimiento de nuevas formas de producirlas, preferiblemente obtenidas de fuentes renovables (o inagotables en relación a la escala de tiempo de la humanidad), y además limpias, en el sentido de que produzcan una muy baja o nula contaminación. Entre las fuentes renovables de energía están los bio-combustibles,1 los cuales algunos son obtenidos mediante la fermentación de azúcares, almidones, aceites y 22 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible / Alejandro Torres Castro, et al. grasas de procedencia vegetal o animal, la desventaja que generalmente presenta es que se parte de materias primas generalmente orientadas a la alimentación, estableciéndose distorsiones de mercado en cuanto a precios, afectando así las reservas alimentarias. Otros bio-combustibles son obtenidos de desechos lignocelulósicos, que además de depender precisamente de desechos, requiere del desdoblamiento de celulosa y ligninas, generalmente mediante enzimas, para su posterior fermentación, estos procedimientos también se pueden aplicar a algas y otras formas de fuentes de biomasa de crecimiento rápido. En la actualidad también se trabaja en plantas modificadas mediante bioingeniería. Existen plantas como la candelilla (figura 1) y la palma Copernicia prunifera (o palma carnauba), que como protección a la sequía, producen ceras compuestas fundamentalmente de hidrocarburos, Fig. 1. Planta de candelilla (Euphorbia antisyphilitica Zucc) en su medio ambiente semiárido. esteres, ácidos grasos y alcoholes, compuestos que proponemos en este trabajo, son susceptibles de ser transformados mediante craking (rompimiento homolítico de enlaces) en combustibles líquidos. La palma carnauba es endémica de la zona semiárida de Brasil,2 mientras que la candelilla se produce en forma silvestre3 en un área de 30 millones de hectáreas del noreste de México, área que forma parte de los aproximadamente 80 millones de hectáreas de las zonas áridas y semiáridas del país, los principales estados productores de candelilla son: Coahuila, Nuevo León, Zacatecas, Durango, Chihuahua y San Luis Potosí (figura 2), de la explotación de esta planta dependen económicamente ya se parcial o totalmente 12,000 familias de esta región. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Fig. 2. Distribución de la población de la planta de candelilla.4 La candelilla y su cera La candelilla es un arbusto de tallos grisáceos erectos y sin hojas, (figura 1), su nombre científico se le dio en 1829 como;5 Euphorbia antisyphilitica Zucc, que es de la clase Magnolopsida, de la orden Euphorbiales y familia Euphorbiaceae, en el año 1910 se le renombró también como Euphorbia cerífera.6 La planta exuda una cera que recubre los tallos previniendo la evaporación de agua en tiempos de sequía, la cantidad de cera por peso seco de planta es de aproximadamente 2.5 % w/w de hierba fresca7,8 y está compuesta principalmente9 por hidrocarburos, esteres, y alcoholes según se muestra en la tabla I. La producción de cera aún se lleva a cabo mediante un procedimiento de principios del siglo pasado,8,9,10 desde la recolección utilizando tracción animal, hasta la separación de la cera en hornos cavados en la tierra o paila (figura 3), donde se trata con agua hirviendo acidulada con ácido sulfúrico, la cera con diversas impurezas es recogida de la superficie, obteniendo así lo que se llama cerote, el cual es posteriormente refinado por filtrado en una prensa. En el año 1995 se produjeron en México 1,259 toneladas con un precio promedio de 919.13 $/Ton,11 lo que implica un mercado de un poco más de un millón de pesos. El uso de la cera de candelilla como insumo en cosmetología y alimentos, ha hecho que la cera ya sea considerada como un producto químico comercial,12 como aditivo alimentario con 23 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible / Alejandro Torres Castro, et al. Tabla I. Composición química de la cera de candelilla.9 Componente Contenido %(w/w) Nonacosano 2.5 Hidrocarburos(C29, C31 y C33) 50-57 Hentriacontano 46-46.5 Esteres (C28, C30, C32, y C34) 28-29 Tritriacontano Esteres y Lactonas simples Hydroxil Esteres Alcoholes, Esteroles y Resinas Alcohol Miricilico Sitosterol y otros Esteroles 2.5 20-21 6-8 12-14 ND 7-8 Acetato de Beta-Amirina 5-6 De cadena lineal 6-7 Humedad 0.5-1 Ácidos libres Cíclicos Residuos inorgánicos 7-9 Nd 0.7 el código INS 902 de la FAO /OMS y con número CAS 8006-44-8 con un precio actual como producto farmacéutico de 5,805.00 pesos el cuarto de kilo.13 La candelila o Euphorbia antisyphilitica Zucc, es una especie en peligro de extinción al grado de estar protegida por las Convenciones sobre el Tratado Internacional en Especies de Fauna y Flora en Peligro de Extinción (CITES),9 por lo que su explotación requiere necesariamente de reforestación o cultivo. Hay diversos estudios sobre la propagación de la candelilla,15,3 entre los que destaca el de Foroughbakhch3 et al. Encontrando un crecimiento en altura de 31.8 cm en los primeros 3 meses, es importante mencionar que el Estado de Chihuahua inició en el año 2014 un programa de reforestación con 110,000 plántulas de candelilla.16 Cracking17-19 El cracking en química es la descomposición térmica de moléculas grandes a otras más pequeñas que pudieran ser de mayor utilidad, tal es el caso del petróleo, donde mediante este proceso catalizado utilizando generalmente zeolitas, se obtienen combustibles compuestos por moléculas de menor tamaño que las originales, produciendo así naftas, gasolinas diésel y otros combustibles. La reacción, cuando no es catalizada, procede mediante radicales libres, (esquema 1), dando productos constituidos por compuestos saturados y con dobles enlaces, cuya composición depende de las condiciones de reacción, en un proceso en donde la entropía tiene un papel muy significativo. En este esquema 1, se muestran algunas de las reacciones que pueden ocurrir en un cracking de un alcano de alto peso molecular, la primera reacción es el rompimiento homolítico de un enlace C-C, los sustituyentes R y R1 tendrán tamaños, muy probablemente diferentes, que dependerán de la posición del enlace que se haya roto, la reacción podrá terminar por combinación de los radicales formados (Reacciones 2 y 3) formando nuevos hidrocarburos saturados, o bien por desproporcionación (Reacciones 4 y 5), formando un hidrocarburo saturado y otro insaturado. Fig. 3. Horno para la obtención de cera de candelilla, izquierda fotografía de hombre trabajando, derecha esquema de la paila.14 24 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible / Alejandro Torres Castro, et al. Esquema 1. Representación de algunas reacciones que ocurren mediante el cracking de un hidrocarburo lineal. En el esquema no se ejemplifican reacciones de transferencia de hidrógeno que pueden ocurrir en las inmediaciones de las moléculas, lo que daría a lugar a radicales libres secundarios y por ende ramificaciones. Ya que esta reacción está muy influenciada por la entropía, de una molécula reactivo se producirán varias, necesariamente de menor tamaño. El cracking se puede clasificar como a) térmico, b) catalítico y c) hidrotérmico y puede ser una combinación de estos, en el primer caso solo se calienta el material sin aditivo alguno, en el catalítico se utilizan catalizadores (Ejem. zeolitas) para orientar la catálisis y en el tercero se usa vapor de agua como agente de transferencia de cadena. En el año 1987 se presentó una patente, 20 en la que se recurre a un cracking hidrotérmico – catalítico para producir biocombustibles de biomasa (incluyendo todos los componentes como celulosa y lignina) proveniente de un sinnúmero de fuentes vegetales entre las que se encuentra la candelilla y en el año 2009 se reportó el cracking catalítico con aluminosilicatos, para producir combustibles líquidos a partir de extractos de la planta seca con heptano21. En este artículo presentamos la producción de un combustible líquido equiparable al biodiesel, a partir del cerote, producto comercial obtenido en forma tradicional y mediante cracking térmico exclusivamente. Experimental La cera de candelilla en forma de cerote fue proporcionada por Multiceras S. A. de C. V. y utilizada sin ninguna purificación, para la destilación fraccionada (cracking) se montó un equipo de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 vidrio como el mostrado en la figura 4, habiéndose calentado el matraz bola donde van los reactivos con una manta de calentamiento y el aire que sale del equipo debido a cambios de volumen, se burbujeaba en agua para evitar que alguna eventual disminución de la presión se tradujera en la entrada de aire al sistema, evitando así una posible combustión del destilado. Fig. 4. Diagrama esquemático del equipo de vidrio utilizado para realizar el cracking – destilación fraccionada del cerote de candelilla. El procedimiento fue el siguiente: con la columna de fraccionación sin enfriar se colocaban 50 g de cerote en el matraz bola de la izquierda en la figura 4, el condensador se mantenía frio al recircular agua por su chaqueta de enfriamiento, la temperatura se incrementaba rápidamente hasta que iniciaba la condensación del destilado, aproximadamente a 65 °C en la parte superior, el cerote pasaba a estado líquido, el cual nunca alcanzaba los 250 °C, durante la destilación la temperatura de los vapores a la entrada del condensador fue de aproximadamente 120 °C, el líquido recogido en el matraz de producto se utilizó para su caracterización. P a ra s u c ar ac t er i za ci ón s e ut i l i z ó u n espectrofotómetro de infrarrojo FTIR Nicolet 6700 con aditamento para reflexión total atenuada (ATR), un cromatógrafo de gases Termo-Finnigan Trace 2000 con detector de masas usando una columna capilar AT-5 de 30 m de longitud y diámetro interno de 0.25 mm y 0.25 μm de espesor de película. La fase estacionaria fue de poli-siloxano, el gas acarreador 25 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible / Alejandro Torres Castro, et al. fue helio de 99% de pureza. La temperatura inició en 40 °C y terminó a 300 °C, con una temperatura en el inyector y en la línea de transferencia de 280 °C, para realizar la corrida se inyectaba 10 μL de muestra. Para determinar el poder calorífico se utilizó una bomba calorimétrica Parr 6400 mediante el procedimiento especificado en la norma ASTMD240 con aproximadamente 1 g de muestra. El cálculo de poder calorífico superior se hizo a partir de la curva de liberación (temperatura contra tiempo), aplicando la ecuación 1. (1) (2) Donde Ms es la masa del sistema (bomba, accesorios y agua utilizada), Cνs es el calor específico del sistema ΔT el cambio de temperatura y Hs el poder calorífico superior, Mc la masa de la muestra y e es la corrección debido al calor generado por el filamento de ignición, lo cual se calcula mediante la ecuación 2, donde m es la masa del filamento y h su poder calorífico. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El producto de la destilación fue un líquido transparente, de color amarillo claro y de aparente baja viscosidad (figura 5a), al acercarle una flama enciende inmediatamente produciendo una llama azul muy claro, que se batalla para observarla y de humos prácticamente incoloros y definitivamente inodoros (figura 5b), estas observaciones indican que el producto es de relativamente bajo peso molecular, con pocos dobles enlaces y sin contaminantes como azufre, nitrógeno y otros elementos. El espectro de infrarrojo se muestra en la figura 6, y en la tabla II la asignación de las señales. En este espectro se observan solo señales de metilos, metilenos, cadenas de 7 o más metilenos consecutivos y dobles enlaces terminales de cadena. Es interesante notar la inexistencia de grupos hidroxilo cuya señal se mostraría en el rango de 3100 a 3800 cm-1, de anillos aromáticos en la región de 1665 a 2000 cm-1 y de grupos carbonilos alrededor de 1750 cm-1. Indicando así un líquido exclusivamente hidrocarbonado con dobles enlaces terminales y cadenas de más de 7 metilenos, esto hace una gran diferencia en composición con el biocombustible reportado en el año 2009,21 donde el biocrudo contiene grupos cetonas, ácidos carboxílicos y esteres. El espectro también soporta la aseveración de que la terminación del cracking fue por desproporcionación, (reacciones 4 y 5 en el esquema 1). La figura 7 es el cromatograma del líquido obtenido, cuya composición es esclarecida por Tabla II. Asignación de las señales de infrarrojo del producto de destilación. λmax (cm-1) Asignación λmax (cm-1) Asignación 2918 CH2, νas 1377 CH3, δs 2956 2871 2848 CH3, νas CH3, νs CH2, νs 1464 CH2, δs 991 RCH=CH2, δs 719 CH2, ρ (CH2 contiguos ≥ 7) 908 RCH=CH2, δs Fig. 5. a) Líquido obtenido por cracking – destilación fraccionada del cerote. b) apariencia de la flama en la combustión del líquido obtenido. 26 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible / Alejandro Torres Castro, et al. Fig. 6. Espectro FTIR del producto de destilación fraccionada de cerote. espectrometría de masas asignando las señales de acuerdo a la tabla III. Como se aprecia en el cromatograma (figura 7), de la altura de los picos es posible determinar la abundancia relativa de los componentes, así haciendo un gráfico de número del contenido de cada componente como fracción molar contra el número de átomos de carbono y, separando los alcanos de los alquenos (que ahora sabemos son 1-alquenos) en curvas diferentes, encontramos que el producto analizado tiene principalmente hidrocarburos que a temperatura ambiente son líquidos (97 %) y un 3 % de productos sólidos de los cuales una ínfima parte (Aprox. 0.1 %) son los hidrocarburos constituyentes del cerote, los cuales seguramente fueron arrastrados por vapor (Ley de presiones parciales de Dalton). En la figura 8 se aprecia que prácticamente hay Fig. 7. Cromatograma de gases del líquido producto de la destilación fraccionada de cerote. Fig. 8. Contenido de componentes en el producto de destilación fracionaria del cerote de candelilla, separado por alquenos (naranja), alcanos (azul) y el acumulado total (gris), se indica también las regiones de componentes líquidos, sólidos y provenientes originalmente del cerote. Tabla III. Asignación de componentes a las señales de cromatografía de gases según su tiempo de retención (t r), mediante espectrometría de masas. tr (Min) Componente tr (min) 7.09 Noneno 15.44 Pentadeceno 8.80 Deceno 16.63 Hexadeceno 5.06 7.25 8.93 Octeno Nonano Decano 10.28 Undeceno 11.66 Dodeceno 10.43 11.79 Undecano Dodecano 12.98 Trideceno 14.25 Tetradeceno 13.10 Tridecano 14.38 15.59 16.76 Componente Tetradecano Pentadecano Hexadecano 17.74 Heptadeceno 18.82 Octadeceno 17.86 18.93 Heptadecano Octadecano 19.85 Nonadeceno 20.83 Eicoseno 19.95 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Nonadecano tr (Min) 20.91 22.73 23.61 24.42 Componente Eicosano Docosano Tricosano Tetracosano 25.24 Pentacosano 26.74 Heptacosano 27.43 Nonacosano 25.99 27.28 28.16 29.79 Hexacosano Octacosano Triacontano Hentriacontano 27 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible / Alejandro Torres Castro, et al. la misma cantidad de alcanos y alquenos, indicando que la desproporcionación fue la terminación preponderante de la reacción de cracking. En la figura 9 se reporta la curva de liberación (temperatura vs. tiempo) obtenido con la bomba calorimétrica, al utilizar las ecuaciones 1 y 2, se encuentra que el poder calorífico superior del líquido obtenido es de Hs=45 MJ/Kg, el cual es superior al del combustóleo22 (Hs = 40 MJ/Kg) y semejante al del diésel23 (Hs = 44.7 MJ/Kg) y el biodiésel manejado por PEMEX22 (Hs = 46 MJ/Kg), lo que soporta la idea de que se tiene un combustible que, cuando menos por su poder calorífico, la ausencia de compuestos aromáticos y de otras impurezas que incrementen la contaminación ambiental con azufre, hollín y otros contaminantes, es un excelente producto como un combustible semejante al diésel. El proceso de cracking – destilación fraccionada es actualmente sujeto de patente en trámite.25 Fig. 9. Curva de liberación del producto de cracking – destilación fraccionada del cerote. CONCLUSIONES La cracking – destilación fraccionada simple como el aquí reportado, ocurre mediante la reacción de rompimiento molecular típico de este fenómeno, con terminación de la reacción sustancialmente por desproporcionación, resultando en un líquido combustible formado en un 97% por alcanos y alquenos líquidos a temperatura ambiente y con poder calorífico semejante al diésel y biodiesel, así que lo podemos considerar un biodiésel para la producción de energías de las llamadas renovables. La materia prima es una planta (Euphorbia antisyphilitica Zucc) con la característica de ser una especie silvestre de las zonas 28 semiáridas del oeste de Texas, sur de Nuevo México en EUA y de los estados de Durango, Chihuahua, Coahuila y Nuevo León en México, además de ella depende la economía de 12,000 familias y por último ha sido declarada una planta en peligro de extinción, por lo que cualquier esfuerzo para incorporarla como fuente de energía renovable que incluya: su siembra ya sea como reforestación o plantío, podría tener un impacto a mediano o largo plazo en la sustentabilidad, sacando la especie del peligro de extinción, dando fuentes de trabajo en regiones de alta pobreza como lo es el semi-desierto, y teniendo una fuente de energía de las llamadas renovables. 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A, Factores de Emisión para los Diferentes Tipos de Combustibles Fósiles que se Consumen en México, Instituto Mexicano del petróleo, Informe técnico del proyecto F.61157.02.005, Agosto del 2014. 23 Guía técnica de combustibles, empresa Powermaster, URL: http://www.powermaster. com.mx/guia-tecnica/combustibles/, consultado el 04/11/2015. 24 Torres-Castro A; González-González V. A; Garza-Navarro M. A, Proceso de Obtención de Biocombustible A Partir de Cera de Candelilla (Biomasa), 19/12/2014, expediente MX/ a/016059. AGRADECIMIENTO Se agradece al Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), en particular a la Dra. Silvia Guadalupe Solís Rosales junto con el personal del Laboratorio Central de Instrumentación Analítica, por el análisis de cromatografía – masas hecho a nuestro producto. 29 �Evidencia de Sr2+ en Fe3O4 durante la síntesis de SrFe12O19 mediante poliol Felipe Nerhi Tenorio GonzalezA, Ana María Bolarín MiróA, Félix Sánchez De JesúsA*, Roberto Luis Palomino ResendizA, Claudia Alicia Cortés-EscobedoB, Pedro Vera-SernaC Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales, UAEH, Centro de Investigación e Innovación Tecnológica del IPN (Cda. CECATI) C Laboratorio de Ingeniería Avanzada de la Universidad Politécnica de Tecámac fsanchez@uaeh.edu.mx A B RESUMEN El método del poliol para sintetizar hexaferrita (SrFe12O19) requiere de un tratamiento térmico en el que se forma una fase metaestable de magnetita (Fe3O4) a partir de la reacción de acetatos de hierro y estroncio con dietilenglicol (DEG) a temperatura de ebullición. En este trabajo se presenta un análisis de la presencia de ión estroncio (Sr2+) en esta fase metaestable. Los resultados de difracción de rayos X de los polvos sintetizados mostraron una única fase Fe 3O4, y el refinamiento mediante el método de Rietveld reveló un incremento en el parámetro de red y en la ocupación de las posiciones de los iones Fe 2+, lo cual se asocia con la presencia de Sr2+ en la estructura cristalina de la magnetita, ocupando un sitio octaédrico. Los ciclos de histéresis magnética confirman la presencia de los iones de Sr2+ en la magnetita, debido a los bajos valores de magnetización específica que presenta (58 emu/g). PALABRAS CLAVES Método Poliol, Magnetita, Hexaferrita de estroncio, Dopaje. ABSTRACT The polyol method to synthesize hexaferrite (SrFe12O19) requires an annealing that produce a metastable phase magnetite (Fe3O4), from the reaction of iron and strontium acetates with diethylene glycol (DEG) at boiling temperature. In this paper an analysis of the presence of strontium ion (Sr2+) in this metastable phase is presented. The results of XRD of the synthesized powders showed a single phase Fe3O4, and a refinement by the Rietveld method revealed an increase in the lattice parameter and the occupation of the positions of the Fe 2+ ion, which is associated with the presence of Sr2+ in the crystal structure of magnetite, occupying an octahedral site. Magnetic hysteresis cycles confirm the presence of Sr2+ ions into magnetite structure due to the diminution on specific magnetization presenting (58 emu/g). KEYWORDS Polyol Method, Magnetite, Strontium Hexaferrite, Doping magnetite. 30 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Evidencia de Sr2+ en Fe3O4 durante la síntesis de SrFe12O19 mediante poliol / Felipe Nerhi Tenorio González, et al. INTRODUCCIÓN La hexaferrita de estroncio (SrFe 12O 19 ) es un material de gran interés, debido a su amplia contribución para la tecnología moderna, 1,2 ya que tiene una gran diversidad de aplicaciones en distintas disciplinas tales como: hipertermia,3 catalizadores,4 sensores, pigmentos, medios de grabación magnética 5 y bio-aplicaciones. 6 Del mismo modo se han desarrollado diversos métodos de obtención pero en todos ellos se requiere cierto aporte energético por medio de tratamiento térmico;7 esto se debe a que generalmente la fase más estable que se obtiene tras realizar el proceso de síntesis es la magnetita (Fe3O4). Sin embargo en los reportes no se brinda información sobre la ubicación del estroncio, el cual fue adicionado en los precursores; en la bibliografía se propone que la fase que se manifiesta en el plano (111) del patrón de difracción corresponde al material de partida SrCO3,8 pero esta fase no describe el proceso por otras técnicas ya que se emplean diferentes precursores.9, 10. Por su parte, la magnetita es un material con estructura cúbica tipo espinela inversa con oxígenos formando una fcc,11 dentro de la estructura los cationes utilizan dos sitios intersticiales diferentes, el Fe3+, se encuentra localizado en sitios tetraédricos y octaédricos, mientras que los iones de Fe2+ se encuentra en sitios octaédricos,12 por esta distribución, la magnetita posee una magnetización de alrededor de 85 emu/g,13 pero esta magnetización puede disminuir en presencia de fases secundarias o cuando existe un aumento de campo coercitivo en la estructura.14. El presente estudio tiene como objetivo brindar evidencia sobre la formación de magnetita dopada con Sr2+, como una fase intermedia que se genera por la introducción de iones de Sr2+ en la estructura cristalina de la magnetita, Fe3O4, derivado de la aplicación del método poliol. EXPERIMENTACIÓN Se disolvió en cantidades estequiométricas, acetato de hierro hidratado ((C2H3O2)2Fe, 99.9%) y acetato de estroncio hidratado ((C2H3O2)2Sr, 99.9%) en 125 mL de dietilenglicol (C4H10O3, 99.9%), con la intención de obtener 2 g de hexaferrita de estroncio, siguiendo la reacción: (C2H3O2)2Sr+12(C2H3O2)2Fe→SrFe12 O19+C52H78O33 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 La solución fue agitada a 700 rpm a temperatura ambiente durante 20 minutos para promover la formación del complejo, posteriormente se calentó hasta el punto de ebullición del dietilenglicol (245 ºC) a fin de aportar la energía suficiente para promover el proceso de nucleación y crecimiento. La solución se mantuvo a esa temperatura con agitación vigorosa durante 5 horas, empleando el diseño experimental mostrado en la Figura 1. La solución obtenida se dejó enfriar a temperatura ambiente y se recuperó el polvo sintetizado mediante centrifugación, empleando una Ultracentrifugadora, Beckman Optima XL-100K, misma que fue programada a 12,000 rpm durante 15 min. El producto obtenido se lavó con etanol, repitiendo el proceso de limpieza dos veces más. Al culminar la centrifugación se evaporó el etanol a 80 ˚C. Para realizar los estudios cristalográficos, se empleó un difractómetro marca Inel modelo Equinox 2000. El equipo posee un detector curvo que es capaz de medir todos los picos de forma simultánea. Para este análisis se llevó acabo el estudio durante 30 minutos con radiación de CoKα1 en rango de 20 º a 85 º posteriormente se realizó refinamiento mediante el método de Rietveld empleando el software MAUD. 15 Las propiedades magnéticas fueron determinadas empleando un magnetómetro de muestra vibrante marca MicroSense EV7 aplicando un campo máximo de ±18 kOe a temperatura ambiente. El estudio morfológico se realizó empleando un Microscopio Electrónico de Transmisión marca Fig.1. Esquema del sistema empleado en el método del poliol. 31 �Evidencia de Sr2+ en Fe3O4 durante la síntesis de SrFe12O19 mediante poliol / Felipe Nerhi Tenorio González, et al. Zeiss Libra 200FE equipado con un filtro en columna omega. Para obtener las imágenes se empleó un voltaje de 5.00 kV y el lente fue trabajado a 4.3 mm con amplificación de 50 kX. RESULTADOS En la figura 2 se presenta el difractograma del polvo obtenido por poliol y recuperado mediante centrifugación. Tal como se aprecia, la única fase identificada es magnetita (Fe3O4, ICSD #50567, Fd-3m), con un tamaño de cristal de 84 nm, calculada de acuerdo a la fórmula de Scherrer. El refinamiento Rietveld del difractograma, cuyos resultados se presentan en la tabla I, muestra que los acetatos precursores se han transformado en magnetita (Fe3O4) con parámetro de red (a) de 8.3952 nm. Este tipo de ferrita posee estructura espinela inversa, por lo cual fue indexada con ayuda de la siguiente ecuación:16 h+k+l=2a/(λsen(θ)) (2) Donde θ es el ángulo de difracción, a es el parámetro de red, h k l son los índices de Miller y λ es la longitud de onda. Se incluyen los índices de Miller de acuerdo a la estructura cristalina mostrada en la figura 2. En la figura 2, no se aprecia la presencia de ningún compuesto de estroncio en el material obtenido mediante poliol. De igual manera, el difractograma no presenta las características para suponer que el compuesto de estroncio se encuentre como un material amorfo, por lo cual se considera que los iones de estroncio se encuentran dentro de Fig. 2. Difractograma y Refinamiento mediante método de Rietveld de la muestra sintetizada. 32 Tabla I. Resultados del refinamiento. Análisis Ocupación Fe , Fe , O 2+ 3+ Parámetro de red (a) R Rw x2 2- Polvo sintetizado 1.017, 0.982, 1 8.358 7.18 9.31 1.05 la estructura de la magnetita, manteniendo su misma estructura cristalina. Es sabido que el catión Sr2+ (radio iónico de 1.13 Å) puede ser introducido en cualquier sitio intersticial siguiendo la teoría de los campos ligados17, ya que su último orbital es el 4p6, por lo cual se producen 6 momentos magnéticos que se cancelan, pudiendo ocupar dicho lugar. Adicionalmente, siguiendo las reglas de HumeRothery, se predice que el ion Sr2+ es más probable que se encuentre substituyendo al catión Fe2+ (radio iónico de 0.64 Å), aunque existe una gran diferencia entre los radios iónicos, este tipo de dopaje se ha descrito para otro tipo de ferritas, por ejemplo la sustitución de Fe 3+ (radio iónico de 0.69 Å) por Nd3+ (radio iónico de 1.09 Å) en la síntesis de hexaferrita de estroncio,18 además cumple el resto de reglas de Hume-Rothery y la sustitución se puede aceptar debido al bajo porcentaje de estroncio que se introduce (solubilidad muy baja y limitada), lo anterior se comprueba con los datos obtenidos por el refinamiento mediante el método de Rietveld y mostrados en la tabla I, ya que el porcentaje de ocupación del Fe2+ se incrementa en ambas muestras. De igual manera, se observa un incremento del parámetro de red, desde 8.337 Å, que es el valor teórico reportado, hasta 8.358 Å. Este incremento indica una deformación en la estructura cristalina, que se puede asociar a la sustitución de una posición atómica por cationes de mayor radio (Sr2+ cambia por Fe2+), lo cual provocaría una deformación de la red cristalina. Adicionalmente, en la tabla I se muestran los parámetros R (residual), Rw (es análogo al patrón R ponderado) y χ2 (valores sigma) extraído del proceso de refinamiento empleando el software MAUD. 19 Dentro de estos parámetros, un valor de 15 o menor para Rw es un rango considerado como aceptable, según los criterios de aceptación y rechazo discutidos por Lutterotti et al.,20 de igual manera, un valor Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Evidencia de Sr2+ en Fe3O4 durante la síntesis de SrFe12O19 mediante poliol / Felipe Nerhi Tenorio González, et al. menor a 2 para χ2 es considerado como satisfactorio, por tal razón se concluye que el estudio es confiable ya que los resultados se encuentran por debajo de estos parámetros. Para confirmar la presencia de iones de estroncio dentro de la estructura cristalina de la magnetita, se realizó una caracterización magnética a través de la obtención del ciclo de histéresis magnético del polvo sintetizado y de un polvo de magnetita pura (Sigma Aldrich), cuyos resultados se muestran en la figura 3, donde se observa que el material sintetizado es un material ferrimagnético suave con valor de magnetización de saturación específica de 56 emu/g. Paralelamente en la misma figura se observa que el polvo de magnetita pura presenta el mismo comportamiento de material ferrimagnético suave, pero con una magnetización superior, alrededor de 85 emu/g, similar a la reportada por otros autores.21 Esta disminución de magnetización del polvo sintetizado respecto a la magnetita de referencia no puede ser asociada únicamente a la presencia de un compuesto de estroncio, en tal caso la disminución de la magnetización no sería tan significativa, ya que de acuerdo a la teoría de mezclas y considerando al compuesto de estroncio como material diamagnético, la magnetización de la mezcla de magnetita y el compuesto de estroncio debería dar valores de 67 emu/g, muy superiores a los obtenidos, con lo cual se debe justificar como consecuencia de la introducción de iones de Sr2+, debido a que el Sr2 + es un ión no magnético. En la figura 4 se presenta la propuesta de la estructura cristalina de la magnetita obtenida del Fig. 3. Ciclo de histéresis magnético de polvos sintetizados. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 proceso poliol, la cual de acuerdo a los resultados mostrados previamente, está parcialmente dopada con estroncio, donde se muestran los sitios que se considera que puede ocupar el ion Sr2+. La Fe3O4 puede ser expresada como FeO-Fe2O3 donde cada una de sus celdas unidad posee ocho átomos (Z=8), por lo tanto, y siguiendo el porcentaje de estroncio (0.23) se sabe que dentro de cada celda unitaria hay 1.84 iones de Sr2+ y 6.16 iones de Fe2+. Con la finalidad de explicar la disminución en el valor de la saturación magnética específica, se tiene que recurrir a los conceptos básicos de magnetización, sabiendo que la magnetización específica es una propiedad que depende de la cantidad y orientación de los espines. La estructura espinela inversa de la magnetita (Fe3O4) posee 64 sitios octaédricos y 32 sitios tetraédricos. En términos cuánticos se puede mencionar que los iones Fe3+ producen 5 µB (magnetón de Bohr) y los iones Fe2+ producen 4 µB. Los cationes Fe3+ ocupan 8 sitios tetraédricos y 8 octaédricos, mientras que los iones Fe2+ ocupan 8 sitios tetraédricos, sin embargo los momentos magnéticos producidos por los ocho Fe3+ ubicados en sitios tetraédricos están en oposición a los ocho Fe3+ ubicados en sitios octaédricos, por tal razón no aportan magnetización a la estructura. Los ocho cationes Fe2+ se encuentran alineados en la celda unidad y aportan magnetización neta,22, por tal razón la magnetización teórica de la magnetita pura será de 32 µB, y se puede definir con la siguiente ecuación: Ms=8(5µB )↑+8(5µB )↓+8(4µB )↑=32µB (3) Fig. 4. Estructura cristalina de la magnetita dopada con estroncio (Sr0.23Fe2.77O4), donde los iones en color amarillo (Fe1) corresponde a los iones Fe2+, los iones en color café (Fe2) corresponde a los iones Fe3+ y los iones en color rojo corresponden al O2-. 33 �Evidencia de Sr2+ en Fe3O4 durante la síntesis de SrFe12O19 mediante poliol / Felipe Nerhi Tenorio González, et al. Al ser la magnetita un material ferrimagnético y con carácter magnético suave, su anisotropía magnetocristalina es baja, por tal razón la magnetización específica de saturación es elevada (son propiedades inversamente proporcionales). Sin embargo, se debe considerar que al introducir iones de Sr2+ a la estructura, el cual no posee carácter magnético por lo tanto aporta 0 µB, la magnetización teórica de la magnetita se reduce hasta 24,64µB, de acuerdo al siguiente análisis: Ms=8(5µB)↑+8(5µB)↓+6.16(4µB)↑+1.84(0µB) =24.64µB (4) Con lo expuesto anteriormente, queda comprobada la hipótesis planteada, según la cual los iones de Sr2+ se encuentran en la estructura espinela de la magnetita (Fe3O4), ocupando posiciones octaédricas del Fe2+ y provocando una disminución en los valores de la magnetización específica de saturación del material. Finalmente, en la figura 5 se muestra una micrografía de los polvos sintetizados, en la cual se observan partículas con forma tetraédrica y de paralelepípedo que son típicas de la magnetita,20 el estudio muestra una distribución homogénea de tamaños que van desde 720 hasta 750 nm. Adicionalmente, no se distingue ningún indicio en las partículas observadas, sobre la presencia de diferentes materiales, magnetita y algún compuesto de estroncio. CONCLUSIONES En este estudio se demuestra, mediante el empleo de difracción de rayos X, refinamiento Rietveld, Fig. 5. Micrografía de polvos sintetizados. 34 magnetometría de muestra vibrante y Microscopia Electrónica de Transmisión, que iones de Sr2+ se incorporan en la estructura cristalina de la magnetita (Fe3O4), cuando se uitilza poliol en el método de síntesis de hexaferrita de estroncio (SrFe12O19). Adicionalmente se confirma que los iones de Sr2+ se introducen parcialmente en las posiciones octaédricas de la estructura espinela de la magnetita, las cuales están ocupadas por Fe2+, produciendo un incremento en el parámetro de red, desde 8.337 Å hasta 8.358 Å y una disminución de la magnetización específica de saturación, desde 85 emu/g hasta 56 emu/g. REFERENCIAS 1. V. Kostishyn, L. Panina, L. Kozhitov, A. 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Rubén Morones Ibarra Facultad de Ciencias Físico - Matemáticas, UANL rmorones@fcfm.uanl.mx RESUMEN El plasma de quarks y gluones (PQG) es un estado de la materia que se supone existió en los primeros microsegundos del universo. Para entender lo que ocurrió en esos primeros instantes después del Big-Bang se realiza actualmente una intensa actividad de investigación teórica y experimental. En el aspecto teórico, estudios efectuados en Cromodinámica Cuántica, que es la teoría que estudia las interacciones fuertes, llevan a la conclusión de que este estado se presenta cuando la materia nuclear alcanza una temperatura del orden de 1012 K. Para someter esta predicción a la prueba del experimento se han construido el Large Hadron Collider (LHC) y el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) que son actualmente los más poderosos aceleradores de partículas del mundo. En ellos se aceleran núcleos atómicos pesados que alcanzan velocidades cercanas a la de la luz y se provocan colisiones entre ellos. En ellas se generan condiciones similares a las que existieron en los primeros instantes del universo. En este articulo se describen las condiciones que deben satisfacerse para que se produzca el estado de PQG, en el interior de los núcleos en colisión. PALABRAS CLAVE Plasma de quarks y gluones, colisiones ultra-relativistas de iones pesados, Cromodinámica cuántica. ABSTRACT The quark gluon plasma is a state of matter that it is assumed was present in the early universe. Currently, an intense activity of research is being carried out, in both, the theoretical and experimental fields, to understand what happened in those first instants after the Big- Bang. In the theoretical aspects, studies in Quantum Chromodynamics leads to the conclusion that at about 10 12 Kelvin of temperature, the quark gluon plasma is formed in nuclear matter. To test this prediction, some experiments are in progress in the Large Hadron Collider (LHC) and in the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). In these machines heavy ions are accelerated up to reach speeds close to that of light producing collisions between them. They will produce similar conditions to that of the early universe. The conditions under which the quark gluon plasma state can be formed are described in this paper. KEYWORDS Quark gluon plasma, ultra-relativistic collisions of heavy ions, quantum Chromodynamics. 36 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra INTRODUCCIÓN Actualmente hay bastante evidencia de que el universo inició con una “Bola de Fuego” que explotó. La teoría que sustenta esta idea se denomina Cosmología del Big Bang. En los primeros instantes la densidad y la temperatura de esta “bola de fuego” eran muy elevadas. En esas condiciones se supone que la materia consistía de un plasma de quark y gluones (PQG), cuyo significado describiremos más adelante. Hasta donde conocemos ahora, el estado inicial del universo consistió de un PQG, por lo tanto, el PQG constituye la forma primordial de la materia. A medida que el universo se expandió éste se fue enfriando y se produjo la formación de hadrones (un tipo general de partículas entre las que se encuentran los protones y neutrones), a partir de los quarks y los gluones. Conocer los procesos que ocurrieron en la transición de PQG al estado hadrònico, es uno de los grandes retos de la física moderna. El PQG lo podemos encontrar actualmente en el núcleo de las estrellas compactas, como las estrellas de neutrones y en las colisiones de iones pesados a muy altas energías, donde las partículas que chocan alcanzan velocidades cercanas a la de la luz. Para estudiar el PQG es necesario producirlo en el laboratorio. Con este propósito se han diseñado experimentos de colisiones de iones pesados donde el PQG puede formarse. Entre los problemas que se presentan en estas investigaciones están el de determinar las cantidades físicas que indican que ha ocurrido la transición al PQG y por otro lado, que la dinámica del proceso de transición es hasta ahora desconocida. Todos estos problemas convierten a este campo de estudio en un tema fascinante que atrae a físicos teóricos y experimentales. IMPORTANCIA DE ESTUDIAR EL PQG El interés por conocer lo que ocurre a las propiedades de la materia en condiciones extremas de temperatura y/o densidad es un tema de gran trascendencia en la física teórica y experimental. Está contemplada la posibilidad de que en estas condiciones se observen nuevos estados de la materia hasta ahora no imaginados.1 Simulaciones en computadora de sistemas de partículas cuya interacción está gobernada por la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Cromodinámica Cuántica (CDC), que es la teoría de las interacciones fuertes, han llevado a la conclusión de que la materia nuclear sometida a elevadas temperaturas sufre una transición de fase pasando a un estado de PQG. Estudios con otros modelos efectivos de la CDC revelan también que para altas densidades de materia hadrónica se realiza la transición de fase hacia el PQG.2. El estudio del PQG es importante en la física, la cosmología y la astrofísica. En la física teórica es fundamental ya que está directamente relacionado con la naturaleza del vacío de la CDC. En la cosmología su importancia proviene de la hipótesis de que el PQG fue el estado inicial en el que se encontraba el universo en sus primeros microsegundos. Así que, con el conocimiento de las propiedades del PQG podemos determinar las condiciones iniciales y establecer hipótesis sobre la evolución posterior del universo. El interés en la astrofísica deriva de los procesos que ocurren en las estrellas compactas, como las estrellas de neutrones, las cuales se supone que tienen un núcleo en estado de PQG.3. Aristóteles afirmaba que los extremos se tocan. Nada más cierto que esto para el caso del análisis de los fenómenos astrofísicos y del estudio del cosmos, pues solo podremos entender lo que ocurre en el macromundo, en las estrellas y en el cosmos, si entendemos lo que sucede en los procesos del micromundo, en las partículas elementales, en sus interacciones, en su estructura y los fenómenos entre ellas. Recíprocamente, puesto que los núcleos atómicos complejos se formaron en procesos que ocurren en las estrellas, resulta fundamental saber lo que ocurre en las estrellas para comprender el origen de estos núcleos atómicos. En el núcleo de las estrellas de neutrones, por ejemplo, debido a su alta densidad, puede presentarse el PQG ocurriendo fenómenos interesantes como la superfluidez y otros. Los procesos que ocurren en ellas pueden ser explicados mediante las interacciones entre las partículas fundamentales.4 Con el desarrollo de aceleradores de partículas más potentes y de una nueva generación de detectores, la física nuclear amplió su campo de estudio para abarcar la materia nuclear en condiciones extremas de densidad y temperatura. La posibilidad de producir el PQG en el laboratorio trajo nuevos retos que obligan a estudiar el comportamiento físico de este nuevo 37 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra Vista de una sección del túnel del LHC por donde circulan las partículas que chocarán. estado de la materia. La meta es producir este estado, estudiarlo y determinar sus propiedades. Por el solo hecho de existir, este sistema se vuelve interesante ya que pueden presentarse en él fenómenos nuevos. Como ocurrió con el estudio de la materia a muy bajas temperaturas que condujo al descubrimiento de la superconductividad y la superfluidez, se espera que a temperaturas muy elevadas, no observadas en ninguna parte del universo, se presente el PQG y con él se manifiesten fenómenos hasta ahora desconocidos. Preguntas como ¿Qué tipo de señales debemos observar para asegurar que se ha presentado el PQG? , ¿Qué grupo de partículas esperamos que se formen al enfriarse el PQG?, ¿Qué clase de procesos ocurren antes y después de la formación del PQG? o ¿Qué fenómenos son los dominantes?, hacen interesante este estudio. Es pertinente remarcar aquí que los científicos no andan en busca de conocimientos que sean útiles, sino que su interés es conocer y entender lo que ocurre en la naturaleza. Esta es su más fuerte motivación. Actualmente están en proceso varios experimentos en el LHC en el CERN y en RHIC, en Brookheaven, para producir, mediante choques de iones pesados a muy altas energías, el estado PQG. Ahí se estudiarán los fenómenos del PQG. LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA Toda la materia que conocemos aquí en la Tierra en forma macroscópica, está formada por moléculas, las cuales son los constituyentes fundamentales de todas las sustancias. Las moléculas se forman de 38 átomos, los cuales son las estructuras básicas de los elementos químicos. Los átomos a su vez se componen de un núcleo y los electrones orbitándolos. Los electrones, hasta donde se conoce en el presente, no tienen ninguna estructura y son en este sentido partículas elementales. Los núcleos están formados por protones y neutrones. Los protones y neutrones están formados por partículas llamadas quarks. Hasta el momento, no se ha encontrado que los quarks tengan subestructuras. Por lo tanto consideraremos a los quarks como partículas elementales. Llegado a este punto en la estructura de la materia, es conveniente introducir la manera moderna como se clasifican las partículas subnucleares. Para establecer la clasificación de las partículas es necesario introducir unos comentarios sobre las fuerzas fundamentales de la naturaleza. En la naturaleza se observan cuatro tipos diferentes de fuerzas o interacciones fundamentales: Las interacciones gravitacional, electromagnética, fuerte y débil. Todas las fuerzas o interacciones entre las partículas o entre los cuerpos macroscópicos pueden explicarse, en principio, en términos de estas cuatro interacciones fundamentales. La fuerza de gravedad es para nosotros la más familiar de todas ellas; es la fuerza que nos mantiene unidos a la Tierra, manteniendo a la vez a la Tierra y a los planetas de nuestro sistema solar unidos al Sol. La fuerza electromagnética nos es también familiar: está presente en los motores y máquinas eléctricas que usamos diariamente; es también la responsable de la estructura atómica y de la unión química. Tenemos entonces que la interacción electromagnética es la responsable de la formación de los átomos y de las combinaciones entre ellos. Esta fuerza es, por lo tanto, la que ocasiona la gran diversidad de materiales, plantas, animales y seres vivos en general, que pueblan la Tierra. La fuerza débil es la responsable del decaimiento radiactivo beta, así como también del decaimiento de un neutrón libre en un protón, un electrón y un antineutrino. En general, todos los procesos de interacción entre partículas subatómicas en los que intervienen neutrinos o antineutrinos, son debidos a la fuerza débil. Por último, la fuerza fuerte es la que permite la unión entre protones y neutrones en los núcleos atómicos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra Las dos primeras fuerzas, se conocen desde hace mucho tiempo mientras que las fuerzas débil y fuerte fueron descubiertas en el primer tercio del siglo XIX. Estas cuatro fuerzas son suficientes para explicar todos los procesos físicos conocidos hasta ahora, tanto aquellos que ocurren a escala atómica como los que suceden en las estrellas y galaxias, con excepción de algunos descubrimientos recientes como son la materia y la energía oscuras, para las cuales no se tiene hasta el momento ningún modelo que las explique. LAS PARTÍCULAS FUNDAMENTALES Las partículas fundamentales de la naturaleza se clasifican de acuerdo con sus interacciones. Lo que en la actualidad se conoce como partículas fundamentales son los Leptones y los Quarks. Los leptones son partículas que no sienten la fuerza fuerte mientras que los quarks sí son sensibles a la fuerza fuerte. Las partículas que interaccionan mediante la fuerza fuerte, se llaman hadrones. Así que la primera gran clasificación de las partículas divide a estas en leptones y hadrones. Ejemplos de hadrones son el protón y el neutrón, mientras que el electrón y el neutrino son ejemplos de leptones. Todos los hadrones están formados por quarks. En particular, dentro de cualquier núcleo atómico tenemos como estructuras elementales a los quarks. Hasta el presente, los quarks se encuentran confinados dentro de los hadrones. Nunca se han observado quarks libres, es decir, fuera de los hadrones. Un atributo que poseen los quarks y que se introdujo por razones de consistencia de esta teoría con la teoría cuántica, es el color. Esta propiedad de los quarks nada tiene que ver con el concepto óptico de color y solo es un número cuántico que permite explicar los fenómenos que ocurren mediante la fuerza fuerte. El color en la CDC es equivalente a la carga eléctrica en la teoría electromagnética. Con esta idea en mente se habla de carga de color como el atributo asociado a la interacción fuerte. De aquí se deriva el nombre de la teoría que describe estas interacciones: Cromodinámica Cuántica. A diferencia de las cargas eléctricas que pueden ser observadas libres, en el electrón o el protón, por ejemplo, las cargas de color nunca se han detectado en forma libre. Siempre permanecen confinadas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Diagrama de fases para la materia nuclear. dentro de los hadrones. Uno de los propósitos en el diseño de nuevos experimentos en la física de partículas elementales es el de liberar las cargas de color y producir regiones dentro de la estructura de los núcleos atómicos donde las cargas de color se encuentren libres. A este estado se le conoce como PQG. Según la teoría moderna de las interacciones, estas se efectúan a través del intercambio de partículas entre las partículas que interaccionan. A estas partículas portadoras de la fuerza se les llama bosones de norma. Por lo tanto nos falta incluir estos bosones de norma en el conjunto de partículas que necesitamos para estructurar este artículo. Para evitar complicaciones en la presentación de estas ideas solo mencionaremos los bosones de norma para la fuerza electromagnética y para la fuerza fuerte. Los transmisores de estas fuerzas son: el fotón para la fuerza electromagnética y el gluón para la fuerza fuerte. En realidad, para el caso de la fuerza fuerte, se tienen un conjunto de ocho gluones, por razones que no explicaremos aquí. Tendremos así que cuando los quarks interaccionan entre ellos, lo hacen intercambiando gluones; de estos hay ocho tipos distintos. LA INTERACCIÓN FUERTE La teoría que describe las interacciones fuertes es la CDC. Entre las principales características de esta teoría está la propiedad de confinamiento del color. La razón por la cual se introduce la propiedad de confinamiento en la CDC es que experimentalmente no se han visto nunca a los quarks libres ni tampoco a los gluones. Este hecho fenomenológico debe 39 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra entonces incorporarse en la teoría, lo cual está representado en la hipótesis del confinamiento del color. Con esto establecemos que los quarks y los gluones, que tienen carga de color, deben estar confinados dentro de los hadrones. Debido a las características de la CDC y a la dificultad para resolver las ecuaciones fundamentales de movimiento que lleva asociadas, no ha sido posible hasta ahora entender y explicar a partir de conceptos básicos, el fenómeno y mecanismo de confinamiento. La hipótesis de trabajo para manejar fenomenológicamente este hecho es que los quarks y los gluones interaccionan tan intensamente que al intentar separar los quarks de un hadron, la energía que se requiere es tan grande que con ella se puede generar un par quarks-antiquark dando lugar a un nuevo hadron. Usando una analogía, podríamos decir que el fenómeno es equivalente a tratar de ionizar un átomo quitándole un electrón, y lo que ocurriría es que se forma un átomo nuevo a partir de la energía de ionización. El proceso involucra la ecuación de Einstein E=mc2 que relaciona la masa y la energía. Por su naturaleza, por la gran dificultad que representa el problema, el estudio de las interacciones fuertes se realiza separando los fenómenos en dos regiones energéticas: una corresponde a los fenómenos que ocurren en el interior de los hadrones y la otra a aquellos que ocurren en el exterior de ellos. La energía determina la región donde se debe trabajar. Para muy altas energías, penetramos al interior de los hadrones y ahí, aunque parezca extraño, el tratamiento es más sencillo, ya que se pueden utilizar las mismas técnicas, ya conocidas, que se emplean en la teoría cuántica del electromagnetismo, la cual es una teoría muy bien establecida. Sin embargo, a bajas energías, en la región fuera de los hadrones, las cosas se complican notablemente. Para poder estudiar los fenómenos de interacciones fuertes a bajas energías, se necesita introducir un tipo de metodología que lleva el nombre general de teorías no-perturbativas. En estas teorías se respetan los aspectos fundamentales de la CDC pero es necesario considerar hipótesis adicionales. Todas estas teorías no-perturbativas predicen que un sistema de hadrones interaccionando fuertemente sufrirá una transición de fase de materia hadrónica a materia de quarks y gluones cuando se somete a elevadas temperaturas y/o elevadas densidades. 40 Este fenómeno, conocido como des-confinamiento del color, conduce a la aparición de la fase de Plasma de Quarks y Gluones. El problema que nos interesa tratar en este artículo es el de establecer bajo qué condiciones de temperatura se consigue el desconfinamiento del color, es decir, la transición de fase al PQG. LA MATERIA EN CONDICIONES EXTREMAS DE TEMPERATURA Como ya se mencionó, las sustancias aquí en la Tierra están formadas por átomos y moléculas. Estas partículas, que constituyen todos los materiales, están en un estado de agitación caótica permanente, conocido como agitación térmica. La temperatura de un cuerpo es una manifestación de la energía cinética de los átomos y moléculas y está asociada al valor promedio de esta energía. Cuanto mayor es la energía cinética promedio de las partículas que forman el sistema, mayor es su temperatura. Como sabemos, al aumentar la temperatura de un cuerpo sólido este se convierte en líquido y si seguimos incrementando la temperatura se transforma en gas. Si la temperatura del gas aumenta la energía cinética adquirida por las moléculas conduce a que en las colisiones entre ellas se produzca la disociación molecular, dando lugar a la formación de un gas atómico. Si la temperatura de este gas se sigue incrementando continúa la disociación en componentes más simples. Empiezan por desprenderse algunos electrones, formándose un gas de iones y electrones, el cual se conoce como plasma. El plasma común, llamado cuarto estado de la materia, es por definición un gas ionizado con carga eléctrica neta total igual a cero. Existen plasmas de varios tipos, dependiendo de la temperatura del gas ionizado. La ionización de un átomo puede ser parcial o total y tendremos así un plasma de iones positivos y electrones, cuando la ionización atómica es parcial. Un estado de ionización muy leve se presenta en una flama, durante la combustión de carbón, gas butano o alcohol. Estados también de ionización parcial, pero más intensa, se presenta en la corona solar. Cuando la ionización es total, como en el núcleo de las estrellas, tendremos un plasma de núcleos atómicos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra y electrones. En estados de temperatura más elevada los núcleos se pueden disociar dando lugar a un plasma de protones, neutrones y electrones. El estado de la materia que sería la última frontera en los procesos de disociación es la formación del plasma de quarks y gluones, donde los protones y neutrones se han disociado en sus componentes que son los quarks como las estructuras materiales, y los gluones como los mediadores de la fuerza entre los quarks. 5. Resumiendo estas ideas establecemos que a temperaturas por encima de los diez mil Kelvin todas las sustancias son gaseosas y existen solo en forma atómica ya que las moléculas se han disociado. A muy altas temperaturas el plasma consiste en núcleos, electrones libres y los fotones que aparecen en la interacción y que no son otra cosa que el campo electromagnético causante de las interacciones. A temperaturas aún mayores, que solo se pueden lograr a energías ultrarelativistas se forma el PQG. Aquí se usa la expresión ultra-relativista para referirse al caso de partículas con energías mucho más grandes que sus energías en reposo. En este caso, la expresión relativista para la energía dada por: puede reemplazarse por , EL PLASMA DE QUARKS Y GLUONES Para estudiar el PQG consideraremos como sistema inicial un núcleo atómico pesado, como por ejemplo, el núcleo de oro cuyo número atómico es 79. A este sistema le llamaremos materia nuclear. La materia nuclear, también llamada materia bariónica debido a que los nucleones que la constituyen son bariones, es el laboratorio donde se realizan las investigaciones sobre la formación del PQG. Para estudiar tanto la materia nuclear como el PQG estableceremos relaciones termodinámicas en un gas de fermiones (que corresponderá al gas de nucleones o al gas de quarks), y relaciones semejantes para el caso del gas de gluones. En la siguiente sección construiremos una ecuación que relaciona la presión y la densidad de energía para cada uno de estos gases. Con estos resultados podremos establecer las condiciones que se requieren para la transición de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 fase de la materia bariónica a la fase de PQG. Dos desarrollos tecnológicos recientes nos permiten estudiar a la materia en condiciones extremas de temperatura y/o densidad. El primero de ellos es la construcción de aceleradores de partículas a energías tan elevadas que las partículas alcanzan velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz. El segundo de estos avances tecnológicos es el desarrollo de nuevos detectores de partículas, de dimensiones enormes y capaces de detectar partículas muy masivas y de elevadas energías. Estos modernos equipos han permitido a los físicos nucleares y físicos de partículas abrir nuevas áreas de investigación, entre ellas la del estudio de la materia nuclear sujeta a condiciones extremas de temperatura y/o densidad. Para lograr la formación del estado de PQG y estudiar el comportamiento de este estado de la materia hay actualmente dos grandes proyectos. En el laboratorio de Brookhaven, N.Y. en EUA, se construyó el RHIC, el cual acelera iones pesados, como oro o plomo a las energías más elevadas logradas hasta ahora. Al entrar estas partículas en colisión, se espera que se reproduzcan las condiciones que imperaron en los primeros microsegundos del nacimiento del universo y observemos el estado de PQG en pequeños fragmentos en el interior de la materia nuclear. Otro gran proyecto que se terminó en el año 2008 es el de la construcción del acelerador LHC. En él se han logrado energías muy superiores a las del RHIC y se podrán reproducir también las condiciones iniciales del universo. Entre los grandes logros de este proyecto tenemos ya el descubrimiento del bosón de Higgs, el cual fue otro de los propósitos del proyecto del LHC. La CDC predice que cuando la materia hadrónica es sometida a altas densidades y temperaturas, esta puede sufrir una transición de fase hacia un nuevo estado en donde los gluones y los quarks interaccionan débilmente en un estado de plasma de quarks y gluones que puede presentarse en un volumen macroscópico por tiempos suficientemente largos como para ser estudiada. Lograr observar este estado de PQG es de interés ya que proporciona información importante sobre el mecanismo de confinamiento, lo cual mejorará notablemente nuestra comprensión de la CDC, y se podrá comprender mejor la evolución y la estructura actual del universo, pues se supone que 41 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra el estado PQG se presentó en los primeros instantes del Big Bang. EL FORMALISMO DE LA CROMODINáMICA CUÁNTICA La cromodinámica cuántica es una teoría cuántica relativista de campos, renormalizable, con una simetría de norma local SU(3). La densidad Lagrangianal L de la CDC está dada por (1) donde y describen el campo de los quarks (campo de Dirac), es la derivada covariante, representan el campo de los gluones, (a=1, 2, 3, ..., 8), los cuales corresponden a los bosones de norma. Las λa son las matrices de Gell-Mann del grupo SU(3), y finalmente, es el tensor de campo de norma y las constantes de estructura del grupo, las cuales son antisimétricas ante el intercambio de cualquier par de índices. 6. Las características fundamentales de la CDC, son: a) la libertad asintótica y b) el confinamiento. La libertad asintótica de los quarks dentro de los hadrones es un hecho experimental que revela que los quarks se comportan dentro de los hadrones como si no interaccionaran entre ellos, es decir como si estuvieran en estado libre. Por otra parte, el confinamiento significa que los quarks están atrapados dentro de los hadrones sin posibilidad de escapar. Este hecho llevó a los físicos a proponer un modelo conocido como el modelo de bolsa, para explicar el confinamiento de los quarks y los gluones dentro de los hadrones. 42 Para entender la diferencia entre el comportamiento de la fuerza fuerte o fuerza de color, que es la que mantiene unidos a los quarks en el interior de los hadrones, es conveniente recurrir primero a la bien conocida fuerza electromagnética. Partiendo de la relación relativista de Einstein entre la masa y la energía E=MC2, encontramos que la energía de ionización de los átomos, por ejemplo, el caso del hidrógeno, donde la energía necesaria para separar el electrón del átomo, es igual al producto de la diferencia de masa entre la masa del electrón más la masa del protón cuando están aislados y la masa del átomo de hidrógeno, multiplicada por C2. A esta energía de ionización, también se le llama energía de enlace o energía de amarre entre el protón y el electrón. Simbólicamente escribimos EB=(∆M)C2 donde EB es la energía de enlace electrón protón en el átomo de hidrógeno, y ∆M=[(mp + me) - MH]C2, donde mp es la masa del protón, me es la masa del electrón y MH es la masa del átomo de hidrógeno. La energía de enlace o de ionización, es la energía que debemos proporcionar al átomo para separarlo en sus componentes: electrón más protón. De una manera similar, en los núcleos atómicos, la energía de enlace es la que debemos proporcionar al núcleo para descomponerlo en protones y neutrones. Esta energía se calcula mediante la relación de Einstein anterior dando valores que corresponden a los valores obtenidos experimentalmente. En este caso ∆M corresponde a la diferencia de masa entre la suma de las masas de los constituyentes individuales de los núcleos y la masa total del núcleo ya formado. Uno de los resultados sorprendentes de la cromodinámica cuántica o teoría de la interacción entre los quarks, es que un cálculo similar a los anteriores para calcular la masa de un protón, por ejemplo, no corresponde la masa de la suma de sus constituyentes (los quarks). Las masas individuales de los quarks que formen el protón se han estimado en 10 MeV/c2 cada una. Con esto la masa del protón sería del orden de 30 MeV/c2, que ni remotamente se aproxima al valor de 940 MeV/c2, que es la masa del protón. Para explicar el resultado anterior se introduce un concepto relacionado con el vacío de la CDC, el cual actúa de una manera muy diferente al vacío de la electrodinámica cuántica (la teoría cuántica Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra de la interacción electromagnética). Debido a que las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de los quarks, son altamente no lineales, ocurre que los portadores de la fuerza de color interaccionan entre sí. Esto provoca que el vacío de la CCD, es decir, el estado de más baja energía, el cual se tiene cuando no hay cargas de color, resulta ser un estado con una configuración de campos de color muy complejo. Los quarks se encuentran formando los hadrones y para observarlos se requiere penetrar dentro de los hadrones. Para lograr esto se bombardean hadrones con otras partículas de muy alta energía, como electrones, por ejemplo. La libertad asintótica establece que solo a grandes energías se puede observar a los quarks y cuando se logra esto, los quarks aparecen dentro de los hadrones como si fueran partículas libres.7. El confinamiento es otra de las características de la CDC. Este se refiere a que los quarks no pueden presentarse en estado libre, fuera de los hadrones, ya que solo se les ha observado combinados formando hadrones. Las ecuaciones de movimiento que se derivan de la densidad Lagrangiana dada en la ec. (1), son ecuaciones no lineales y no pueden resolverse analíticamente. En el régimen de libertad asintótica, a elevadas energías, es posible aplicar métodos perturbativos. Entre los métodos no perturbativos están el de teoría de norma de lattice. Este método pretende resolver las ecuaciones de la CDC en una forma aproximada, reduciendo el número de grados de libertad del campo y reemplazando el continuo espacio tiempo por puntos discretos tomados en pequeñas celdas con el fin de hacer los cálculos. Este método de cálculo de teoría de norma de celdas es apropiado para calcular las condiciones bajo las cuales se puede efectuar la transición de materia nuclear o hadrónica al estado de plasma de quarks y gluones. Con el propósito de ilustrar las ideas planteadas en el estudio de los hadrones sometidos a condiciones extremas de presión, densidad y temperatura, realizaremos un cálculo usando un modelo de gas libre de quarks y gluones para el estado de plasma de quarks y gluones. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 MODELO DE GAS LIBRE PARA EL DESCONFINAMIENTO DE HADRONES La mecánica cuántica es la teoría que describe el comportamiento de los sistemas físicos a la escala atómica (10-10 m). Al final del siglo XIX, cuando el desarrollo de la tecnología permitió estudiar la materia a niveles de baja densidad, bajas temperaturas y cortas distancias, se presentaron ciertas dificultades para expresar los hechos que se observaban. Durante algunos años de esa época se acumularon muchas observaciones experimentales que la física de Newton no podía explicar. Entre los más relevantes encontramos los espectros de emisión que se producían en gases enrarecidos al someterlos a la exposición de intensos campos eléctricos. Los gases emitían luz con características muy particulares construyendo esto un reto para los físicos, que no podían explicar el fenómeno. El intento por explicar estos fenómenos, llevó a una revolución en la física que produjo la teoría que hoy conocemos como mecánica cuántica. La mecánica cuántica, una estructura matemática con una gran abstracción, logró explicar de una manera bellísima y precisa una inmensa variedad de fenómenos. Hoy en día esta estructura matemática teórica ha permitido entender los procesos químicos y los fenómenos que ocurren al nivel molecular, atómico, nuclear y sub-nuclear, constituyéndose en una teoría fundamental de la física moderna. El notable éxito de la teoría cuántica la han convertido en una teoría confiable a pesar de sus incomprensibles y misteriosas predicciones. CONDICIONES PARA PRODUCIR PLASMA DE QUARKS Y GLUONES En esta sección realizaremos un cálculo simplificado de las condiciones de temperatura bajo las cuales se puede obtener el estado de PQG. Consideremos el problema de una partícula en una caja cúbica de arista a y volumen V. Resolviendo la ecuación de Schrödinger para este problema obtenemos que el número de estados con momentum entre y está dado por la expresión 43 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra (2) donde V es el volumen de la caja. Usando coordenadas esféricas y considerando que el sistema que vamos a describir tiene simetría esférica, tenemos que Es conveniente definir la cantidad como la densidad de estados por intervalo de momentum (3) la cual también se conoce como la degeneración del estado de momentum con valor k. Para el caso de la materia nuclear, compuesta de protones y neutrones, existen dos estados de isospín (protón y neutrón) y dos estados de espín, lo cual da un factor de cuatro para el número de partículas que podemos colocar en cada estado de momentum de partícula independiente. Tendremos así que el número total de nucleones Np que podemos colocar en el estado fundamental de la materia nuclear, está dado por usado un tipo de unidades comúnmente usadas en la teoría nuclear llamadas unidades naturales. Sustituyendo esta expresión en la ec. (4), obtenemos que el momentum de Fermi para la materia nuclear a densidad normal, es kF=1.3 fm-1. Calculemos ahora la energía total de un sistema de fermiones en el estado fundamental; usando la ec. (3), y la relación , obtenemos: (5) donde g es el número de partículas que podemos colocar en cada estado de momentum p. El número total de partículas se obtiene integrando la ec. (5) (6) Con el propósito de estudiar la transformación de fase de materia hadrónica a plasma de quarks y gluones, consideraremos solo materia no extraña, es decir, aquella donde no interviene el quark extraño s, y que está formada solo por quarks u y d. En este caso la degeneración g está dada por g = Ncolor X Nespín X Nsabor = 3 X 2 X 2 =12. La energía total puede ser calculada de la ec. (5), usando la identidad que para el caso ultrarelativista, que es el que consideraremos aquí, donde kF es el momentum de Fermi. La integral es directa dando como resultado La densidad de nucleones, o densidad bariónica, entonces (7) está dada por (4) Por otra parte, la densidad normal o de saturación ρ0 de la materia nuclear es ρ0 =0.14 fm-3, donde hemos 44 Por otra parte, la relación entre la presión de los fermiones PQ, y la densidad de energía para un gas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra de fermiones ultrarelativista, está dada por, 8 , sustituyendo esta última relación en la ec. (7), obtenemos (8) La ec. (8) determina la presión PQ que los quarks ejercen sobre la superficie que limita al volumen V. Por otra parte, en el modelo de bolsa para los hadrones, 9 el vacío de la cromodinámica cuántica, ejerce una presión B, hacia adentro de la bolsa que modela el hadrón y que es el requisito para el confinamiento de los hadrones. La suposición fundamental de este cálculo es que la condición para que se efectúe la transición del estado de hadrones al estado de plasma de quarks y gluones, es que ambas presiones sean iguales o que domine la presión de los quarks y se liberen del confinamiento. Tendremos entonces que Igualando B con PQ en la ec. (8), obtenemos Siendo la energía crítica para que ocurra la transición de fase. Introducimos ahora la densidad de partículas . La densidad crítica para los bariones es , puesto que cada barión está formado por tres quarks. Sustituyendo esto en la ec. (9), obtenemos (9) Cuando la densidad de los bariones alcanza este valor, ocurre la transición de nucleones a plasma de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 quarks y gluones debido a que la presión externa B sobre la bolsa, ha sido igualada por la presión interna del sistema de quarks. Para hacer una estimación de la densidad bariónica que se requiere en la ec. (9), consideremos que la energía de un barión puede identificarse con la energía de su masa en reposo que tomaremos como de 1 GeV . De la relación relativista entre la presión y la densidad de energía, obtenemos que e igualando la energía E a un GeV y el radio R del barión a 1 fm, obtenemos que la presión PQ de los quarks tiene el valor (10) tomando PQ = B, en la ec. (10) y sustituyendo el resultado en la ec. (9) obtenemos que la densidad bariónica para que se produzca la transición al PQG, es nB,c= 0.7 fm-3 lo cual corresponde a cinco veces la densidad nuclear normal: es nB,c= 5ρ0. Esta densidad es muy grande y sólo apareció en los primeros instantes del universo, una fracción de segundo después del big bang. Esta densidad puede también presentarse actualmente en los núcleos de algunas estrellas como las estrellas de neutrones. En los laboratorios RHIC y el LHC se tiene la posibilidad de reproducir esas condiciones mediante el choque de núcleos pesados, aunque solo sea por breves instantes, pero suficientes para realizar estudios sobre el estado de PQG. SEÑALES QUE INDICAN QUE SE PRODUJO EL PQG EN UN EXPERIMENTO Los grandes problemas actuales de esta línea de investigación están relacionados con el cálculo de la cantidad de energía cinética de los núcleos que puede ser transformada en energía térmica y el porcentaje de energía potencial que se convertirá en energía de interacción entre los nucleones. Existen también dudas sobre cuáles serán los rasgos característicos que indiquen que se ha llegado a formar o presentar el 45 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra estado de PQG. Además hay todavía una pregunta sin respuesta y es la de cómo ocurrirá la hadronización (formación de hadrones) después de haberse alcanzado el estado de plasma de quarks y gluones, y luego el enfriamiento de éste. Calculemos ahora las condiciones de temperatura requeridas para que se logre la transición a PQG. Con el fin de simplificar los cálculos, consideremos un plasma formado por quarks, antiquarks y gluones, lo cual puede ser obtenido en el “derretimiento” de mesones, los cuales están formados por pares de quark-antiquark. Consideraremos solamente el caso de mesones formados por quarks u y d. En los diferentes modelos de bolsa para los hadrones se supone que los quarks se mueven libremente en el interior de la bolsa ejerciendo una presión sobre las paredes de esta. Dado que los quarks son fermiones, los consideraremos como un gas de Fermi. Para tener una bolsa estable, que no se expanda debido a la presión de los fermiones (quarks), necesitamos una hipótesis adicional: incluir una presión externa sobre la bolsa que permita equilibrar la presión de los quarks. Esta presión, introducida para mantener la estabilidad de la bolsa se conoce como presión de bolsa, y se supone que es ejercida por el vacío de la cromodinámica cuántica sobre la bolsa. Designaremos esta presión como B. El modelo de bolsa explica algunas características importantes de los hadrones y lo usaremos aquí para realizar algunos cálculos, los cuales se simplifican bastante usando este modelo, y obtener un resultado teórico cuantitativo para estimar las condiciones experimentales que permitan observar el fenómeno de transición al estado PQG. Se supone que a altas densidades o elevadas temperaturas los hadrones, representados por las bolsas, se traslapan y se fusionan ocasionando que se produzcan regiones relativamente grandes donde los quarks y gluones se mueven casi libremente; este es el estado de PQG. La manera de incluir la temperatura en los cálculos es a través de las distribuciones estadísticas que satisfacen los quarks y los gluones. Calculemos primeramente el número total de quarks y gluones usando la estadística de Fermi-Dirac y de BoseEinstein, respectivamente. 46 Para el caso de los quarks dnQ, el número de partículas con energías entre E y E + dt está dado por6 (11) donde g(E) es la degeneración del nivel de energía E, gQ = Ncolor X Nespín X Nsabor = 3 X 2 X 2 =12 es la degeneración para los quarks, y μ es el potencial químico, que en nuestro caso será tomado igual a cero ya que el plasma que vamos a considerar tiene el mismo número de quarks que de antiquarks. Similarmente, para el caso de los gluones, los cuales obedecen la estadística de Bose-Einstein, el número de partículas con energías entre E y E + dE está dado por 10 (12) con el mismo significado de las variables que el dado en la ec. (11), y gG = Nespín X Ngluones= 2 X 8=16, es la degeneración para los gluones. En el caso de los gluones, también ocurre que μ = 0. Debido a la relación Tenemos que g(E)dE = g(p)dp (13) Entonces, sustituyendo (13) en la ec. (3), y considerando el caso ultrarelativista, donde E = pc, obtenemos que el número de quarks con momentos entre p y p + dp está dado por La energía total EQ del sistema de quarks, se calcula con la relación (14) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra Un cálculo similar conduce a una energía total para los gluones dada por (15) Definiendo Las integrales en (14) y (15) adoptan formas más sencillas si hacemos el cambio de variable x = βpc, obteniendo (16) (17) El cálculo de la energía para los antiquarks conduce al mismo resultado que el obtenido para EQ. Tenemos entonces que la energía total del sistema de quarks y gluones es Sustituyendo aquí las ecuaciones (16) y (17), obtenemos para la energía total, (18) La evaluación de estas integrales se realiza de manera casi directa desarrollando las fracciones Por otra parte, en el caso ultrarelativista, la presión total P que ejerce el gas de quarks y gluones sobre la bolsa que modela los hadrones, , está relacionada con la energía total dada por la ec. (18) mediante la expresión (19) (19) los valores de las integrales son correspondiendo I1 a la expresión superior e I2 a la inferior. La expresión se conoce como función Zeta de Rieman11 y está tabulada con un valor de 1.08, similarmente, Suponemos que la condición para la transición del estado de hadrones al estado de PQG es que ambas presiones, la de los quarks sobre la bolsa P, y la presión de la bolsa, dada por B, sean iguales. Tendremos entonces que, de (18), (19) y la condición P = B, obtenemos que la presión del vacío sobre la bolsa es (20) donde se han usado unidades naturales k=1, y Tc para la temperatura crítica de transición. Estimando el valor de B por el valor de P, obtenido en la ec. (10), Con Usando unidades naturales, donde resultado final es: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 , el Representación de la colisión de dos iones y la formación del PQG. 47 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra obtenemos para la temperatura crítica dada por (20), es Tc = 1.31 X 1012 K. Esta temperatura se dió en los primeros microsegundos después del Big Bang. De acuerdo con la relación entre la temperatura y la edad del universo, 12 se establece la ley de enfriamiento siguiente tenemos que para el valor obtenido arriba de Tc, la edad del universo en el momento que tenía esta temperatura, era de 10-5 segundos. PROBLEMAS EXPERIMENTALES PARA LA DETECCIÓN DEL ESTADO DE PLASMA DE QUARKS Y GLUONES La suposición de que en los primeros instantes del universo se presentó el estado de PQG, permanece hasta ahora solo como una hipótesis mientras no se confirme experimentalmente la existencia de este estado. Los experimentos de colisiones de iones pesados relativistas tienen el propósito de reproducir, a escala microscópica y por intervalos pequeños de tiempo, las condiciones que prevalecieron durante el inicio del universo. Existe un consenso general de que se logrará la transición al estado de PQG durante la colisión relativista de iones pesados. Uno de los problemas actuales es determinar cuál será la señal o el rasgo característico que permita ser detectado y que nos indique que el estado PQG se ha presentado. 13 Lograr esto permitirá entender mejor la evolución y la estructura presente del universo. Vista aérea del LHC 48 Una de las características de las colisiones entre iones pesados relativistas es que se desprende de ellas una gran cantidad de hiperones.13 La temperatura de la materia altamente comprimida, producto de la colisión de iones relativistas, puede ser estimada del tipo y número de estas partículas creadas o desprendidas en la colisión.14 Las señales que se espera obtener en las colisiones de iones pesados relativistas y que indican que se presentó el estado de plasma de quarks y gluones, es un flujo de mesones y bariones que contienen quarks extraños y cuya intensidad es mayor por un factor de dos cuando aparece el estado PQG que cuando esto no ocurre. La presencia de este flujo extra de mesones y bariones extraños será un indicador importante de que se presentó el estado de PQG. La presencia de partículas extrañas en las colisiones de muy alta energía se debe a la creación de pares extraños quark-antiquark. Dado que inicialmente la materia nuclear consiste solamente en quarks u y d, tenemos que la extrañeza original del sistema de partículas es cero. Por la ley de la conservación de la extrañeza, tenemos que después de los procesos regidos por las leyes de la interacción fuerte, esta debe conservarse. Tendremos entonces que las partículas extrañas creadas deberán aparecer en pares partícula-antipartícula o partículas para la conservaciones de la extrañeza. EL GRAN ACELERADOR COLISIONADOR Muy cerca de Ginebra, Suiza, se construyó la máquina más grande del mundo con el propósito de reproducir en un pequeño fragmento de materia, lo que ocurrió durante los primeros microsegundos del nacimiento del universo. Esta máquina tiene una parte que consiste de un inmenso tubo en forma de anillo circular de 27 Km de longitud, sepultado a una profundidad de cien metros bajo la superficie terrestre, localizándose una parte en Suiza y otra en Francia. Esta máquina, que es el acelerador de partículas más grande y de mayor energía del mundo, se terminó de construir en el año 2008. Se conoce como el Gran Acelerador Colisionador de Hadrones (LHC por Large Hadron Collider). Uno de los grandes éxitos del LHC, como se le llama en forma Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra abreviada, fue el descubrimiento del bosón de Higgs en el año 2012 que era la pieza que faltaba para completar la estructura teórica del modelo estándar. Con esto se tiene ahora una teoría robusta para explicar las interacciones entre las partículas elementales. En el LHC serán aceleradas partículas como protones u otros núcleos atómicos, hasta alcanzar velocidades muy cercanas a la de la luz, circulando en haces con direcciones opuestas en el anillo de 27 kilómetros de largo. El choque entre los dos haces de partículas será tan violento que reproducirá las condiciones iniciales del universo. Los experimentos están actualmente en proceso y se esperan grandes sorpresas, con fenómenos nunca antes observados, los cuales abrirán nuevas líneas de investigación en el campo de la física de partículas elementales. El proyecto de la búsqueda del PQG es de naturaleza multinacional donde colaboran más de mil científicos de treinta nacionalidades diferentes. Las temperaturas alcanzadas en el interior de los núcleos serán las más elevadas del universo, llegando a temperaturas cien mil veces mayores que las del interior del Sol. Se espera tener resultados sobre la recreación de lo que ocurrió en los primeros microsegundos del universo para el año 2016.15,16 Recientes descubrimientos han sido dados a conocer en choques de iones plomo-plomo y orooro. Hasta ahora no se ha logrado observar rastros de que se haya producido el estado de PQG en estos procesos. 16. Más recientemente, se anunció que se observó este estado en colisiones protón-plomo, sin embargo todavía es prematuro asegurar que se logró este objetivo.17-18 COMENTARIOS FINALES Como toda teoría física, la CDC requiere que se confirmen sus predicciones para fortalecerse como tal. Ya se ha desarrollado la tecnología para llevar a cabo la colisión de partículas y detectar la presencia de aquellas que se generan durante las colisiones, por ejemplo: con el experimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment)19 en el CERN se ha reportado que en colisiones plomo-plomo se producen partículas que corresponden al PQG,20 y Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 lo mismo se reporta para colisiones protón-plomo.21 Sin embargo, estos resultados son recientes y son aun controversiales22 por lo que aún se están realizando experimentos que resuelvan esta controversia. Sin embargo, lo más importante hasta ahora es que la evidencia encontrada no se contrapone con la teoría propuesta para la formación del estado PQG. REFERENCIAS 1. Connecting Quarks with the Cosmos. National Research Council of The National Academies of Sciences. The National Academies Press. Washington, D.C. (2003). 2. E. V. Shuryak, The QCD Vacuum, Hadrons and Superdense Matter, Second edition, World Scientific, (2004). 3. G.B. Alaverdyan, A.R. Arutyunyan, Yu L.Vartanyan, Astronomy Letters 28,24 (2002). 4. P. Castorina , R.V. Gavai, H. Satz, Eur. Phys.J. C69 (2010) 169-178. 5. Satz Helmut, The Quark-Gluon Plasma, http:// arxiv.org/pdf/1101.3937.pdf (2011). 6. Peskin E. Michael and Schroeder, V. Daniel, An Introduction to Quantum Field Theory, AddisonWesley Publishing Company, (1995). 7. Gross David, J., Twenty Five Years of Asymptotic Freedom, hep-th/9809060. 8. Weinberg, Steven, Gravitation and Cosmology, John Wiley & Sons, N.Y., (1972). 9. 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Rubén Morones Ibarra 18. http://phys.org/news/2015-09-littlest-quarkgluon-plasma-revealed-physicists.html 19. http://home.cern/about/experiments/alice 20. http://link.springer.com/article/10.1007/ JHEP06%282015%29190#page-3 50 21.http://phys.org/news/2015-09-littlest-quarkgluon-plasma-revealed-physicists.html 22.http://www.popsci.com/science/article/201002/rhic-collider-creates-72-trillion-degreesfahrenheit-quark-gluon-plasma Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Eventos y reconocimientos OBITUARIO M.C. Gabriel Fernando Martínez Alonso. El pasado 25 de septiembre falleció el M.C. Gabriel Fernando Martínez Alonso, quien tenía un título de Maestría en Ciencias Físico Matemáticas de la Universidad Estatal de Moscú “M. V. Lomonosov”, Rusia, con especialidad en Física Nuclear de bajas energías; también tenía la especialidad en Educación Superior, de la Universidad de Camagüey, Cuba. El M.C. Martínez Alonso estaba adscrito a la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, como Profesor Investigador de la Coordinación de Ciencias Básicas, contaba con el reconocimiento de Profesor de Perfil Deseable otorgado por el Programa para el Desarrollo del Profesional Docente (Prodep, antes Promep) de la Secretaría de Educación Pública. Era Coordinador de Estadística Competitiva de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y miembro del Comité Técnico de la revista Ingenierías. Fue miembro de la Red de Investigadores Educativos (RIE) de la Universidad Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 Autónoma de Nuevo León. Responsable del proyecto de investigación “Desarrollo y evaluación de competencias profesionales específicas”. Sus trabajos de investigación principales cubrían aspectos de enseñanza de la física, currículos basados en competencias y aprendizaje activo. CERTIFICACIÓN DEL CENTRO DE COMPETITIVIDAD Y PRODUCTIVIDAD EN INGENIERÍA Del 30 de agosto al 2 de septiembre se llevó a cabo la auditoría externa para la Certificación de las Normas ISO 14001:2004 y OHSAS 18001:2007 del Centro de Competitividad y Productividad en Ingeniería de la FIME. La auditoría fue efectuada por el Dr. Paul Castle y el Ing. Arturo Esperón, de la empresa International Premium Registrars. La FIME es la primera dependencia de la Universidad Autónoma de Nuevo León en implementar un Sistema de Gestión Integral y obtener su certificación según estas normas. Reunión de trabajo entre administrativos de la FIME con los auditores de International Premium Registrars. 51 �Eventos y reconocimientos NUEVO PROFESOR EMÉRITO DE LA FIME En la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario de la Universidad Autónoma de Nuevo León, celebrada el pasado 10 de septiembre, encabezada por el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, rector de la UANL con la presencia del Lic. Rodrigo Medina de la Cruz, gobernador del estado de Nuevo León, se otorgó el nombramiento de Profesor Emérito a ocho profesores, entre ellos al M.C. Esteban Báez Villarreal, quien es profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y ex-director de la misma facultad. Los profesores que recibieron este nombramiento son:: Dr. Juan Francisco Pissani Zúñiga Facultad de Agronomía Lic. José Luis Garza López Facultad de Artes Escénicas Dr. José Rosbel Chapa Guerrero Facultad de Ciencias de la Tierra MC. Esteban Báez Villarreal Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica MA. Gloria Nelly Páez Garza Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Pablo Livas” MEC. María del Carmen Quistiano Benavides Preparatoria 6 MMC. Dagoberto Silva Fernández Preparatoria 14 MC. Francisco Abarca Leyva Preparatoria 23 M.C. Esteban Báez Villarreal. 52 NUEVO INTEGRANTE DE LA JUNTA DE GOBIERNO El pasado 10 de septiembre, en la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario de la Universidad Autónoma de Nuevo León, presidida por el rector, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, se le tomó protesta como integrante de la Junta de Gobierno al Dr.Benjamín Limón Rodríguez. El nuevo integrante es Doctor en Ingeniería con énfasis en Ciencias del Agua de la Universidad Autónoma del Estado de México y cuenta con diversos reconocimientos: Medalla al Mérito Cívico, otorgada por el Gobierno del estado de Nuevo León, Profesor Emérito de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Reconocimiento al Mérito Académico, otorgado por la ANFEI, Medalla al Mérito Ecológico otorgada por el R. Ayuntamiento de Monterrey N.L., Medalla al trabajo y Perseverancia Diego Díaz de Berlanga, otorgada por el R. Ayuntamiento de San Nicolás de los Garza Nuevo León, Huésped Distinguido de la Ciudad de Mérida Yucatán, Medalla y reconocimiento como Primer Lugar en el Quinto Concurso Anual de Obras Cemex y la Cámara Nacional de la Industria de la Construcción, Premio de Ingeniería Civil en el Área de la Investigación por el Colegio de Ingenieros Civiles de Nuevo León, Premio y reconocimiento al Mérito Académico otorgado por el colegio de Ingenieros Civiles de Nuevo León, premio Nuevo León a la Ecología, Mención Honorífica Banca Serfín en Concurso Nacional de Investigación. El Dr. Limón Rodríguez es profesor de la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL y en la FIME es miembro del Consejo Editorial de la revista Ingenierías. Dr. Benjamín Limón Rodríguez. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 �Eventos y reconocimientos DIPLOMADO DE ALTA DIRECCIÓN ANFEI Del 10 al 12 de septiembre se llevó a cabo en la FIME la primera sesión del “Diplomado de Alta Dirección para Directores de Instituciones Formadoras de Ingenieros”. Este diplomado fue creado por la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería (ANFEI), en esta ocasión la FIME es la sede, a la que asistieron directivos de diversas instituciones del país. Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado; y el Dr. Juan Manuel Alcocer González, Secretario Académico, para entregar el premio a las mejores tesis de licenciatura y maestría. El Premio a la Mejor Tesis de Maestría 2014 en el área de Ingeniería y Tecnología y Arquitectura, correspondió al M.C. David Elizondo Lozano, de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica por su trabajo “Aspectos físicos y factores que determinan la calidad superficial en el maquinado de compósitos de matriz polimérica reforzados con fibras”, asesorado por el Dr. Moisés Hinojosa Rivera. Participantes del Diplomado de Alta Dirección ANFEI. PREMIO A LA MEJOR TESIS DE MAESTRÍA El pasado 22 de septiembre se realizó una ceremonia presidida por el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León; el Dr. Mario César Salinas Carmona, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 Desde la izquierda, Dr. Arnulfo Treviño Cubero, Subdirector Académico de la FIME, M.C. David Elizondo Lozano, y Dr. Moisés Hinojosa Rivera. 53 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Julio - Septiembre 2015 Jesús Manuel Pérez Osuna, Maestria en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: “Reducción de queja cliente por rompimiento”, 2 de julio. David Abraham de la Cruz Mireles, Maestría en Logística y Cadena de Suministros con orientación en Dirección de Operaciones. Proyecto: “Elección del sistema de distribución adecuado para una empresa manufacturera de giro electrónico”, 2 de julio. Gladys Treviño Flores, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Estrategias de gestión para el mejoramiento de la Beca Fundación UANL”, 3 de julio. Jesús Gerardo García Martínez, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica. Proyecto “Métodos de modelación para una suspensión automotriz pasiva mediante Matlab y Simulink”, 3 de julio.. Héctor Ulises Luna Salas, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: “Estudio de calidad de la energía a una planta siderúrgica”, 3 de julio. Clemente Jr. Cantu Linares, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Procesos esbelto (reducción de costos)”, 6 de julio. Pamela Jocelyn Palomo Martínez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Proyecto: “Problema del agente viajero selectivo con restricciones adicionales”, 8 de julio. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. 54 Roberto Carlos Arellano Rodriguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Índice de terminación de estudios”, 9 de julio. Nathaly Lizzy López Treviño, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: “Estudio de las Propiedades Mecánicas de Aleaciones Fe-Si”, 10 de julio. Omar Guzman García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Beneficios financieros de la mejora continua a través de la herramienta del mapa de flujo de valor”, 15 de julio. Jorge Enrique Herrera Arroyave, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Estructuras. Tesis: “Diseño estructural de un sistema CUBESAT con recubrimiento de barrera térmica”, 17 de julio. Carmen Guadalupe Rantería Ovalle, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Índice de terminación de estudios”, 17 de julio. José Evaristo Grimaldo Bovio, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Optimización en línea de ensamblaje automotriz”, 17 de julio. César Arturo Saenz Alanís, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Proyecto: “Secuencias de trabajos en sistemas de producción flexibles”, 21 de julio. Norberto Alejandro Hernández Leandro, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Tesis: “Métodos constructivos basados en relajación Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL lagrangiana para el problema de planeación de horarios a empleados”, 21 de julio. Eduardo López Aguilar, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Tesis: “Formulaciones lineales del problema del ruteo de vehículos con restricciones de sincronización”, 21 de julio. Leilania Lizeth Gamez Ruiz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Uso de las Tic´s para mejorar los promedios en la academia de química del CIDEB”, 22 de julio. Erika Elizabeth Contreras Sosa, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: “Selección del mejor candidato en recursos humanos por medio de tecnologías de la información”, 22 de julio. Manuel Alejandro Lira Martínez, Maestría en Ciencias en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Materiales. Tesis: “Sulfidación en alta temperatura en superaleación haynes 230 empleada en anillos sin costura de turboreactores de aviones”, 23 de julio. Pedro Inés Loera Martínez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Tesis: “Secuenciasción de tareas en una máquina con tiempos de preparación dependientes de la secuencia y etapas fijas de mantenimiento preventivo”, 23 de julio. Sergio Rolando López Prado, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. (Por materias), 24 de julio. Cuitlahuac San Vicente Fuentes, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. (Por materias), 24 de julio. Edgar Germán Pardo Salinas, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica. (Por materias), 24 de julio. Carlos Eduardo Perea Guajardo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: “Optimización de factura electrónica”, 24 de julio. Eri cka Ur bano Ro drí gue z, M aestr ía e n Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: “Murez Invercap”, 24 de julio. Néstor Ivan Martínez Rivera, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mécanica con Especialidad en Materiales. Tesis “Análisis término y modal de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 un convertidor catalítico mediante el método de elemento infinito”, 27 de julio. Kevin Yibraim Morales Flores, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: “Reducción de SCRAP producido por máquinas moldeadoras”, 27 de julio. Sergio Héctor Martínez Arredondo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas,. Proyecto: “Análisis financiero industrias Bachoco S.A.B. de C.V.” , 27 de julio. Fernando Yoshua Guzman Pereira, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Fractura en aceros de alta resistencia: mecanismos de agrietamientos y autoafinidad en superficies de fractura”, 29 de julio. Francisco Eduardo López Castillo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Tesis: “Diagnostico de fallas basado en observadores con convergencia en tiempo finito”, 31 de julio. Miguel Ángel Bocanegra Galván, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis “Estudio del efecto del procesamiento termomecánico sobre los parámetros de formabilidad en aceros IF para aplicaciones automotrices”, 31 de julio. Juan José Ramírez Natera, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: “Optimización del proceso de producción de hierro nodular para piezas automotrices”, 31 de julio. Guillermo Campos Ocampo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: “Desarrollo y evaluación de un filtro de partículas para GPF sistemas de escape en motores de gasolina”, 31 de julio. P atr i ci a P ec h e A l ej a nd ro, M a e s t r í a en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, Proyecto: “Creación de una empresa”, 31 de julio. Otoniel García Sepúlveda, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica, Encriptado de datos con osciladores caoticos de orden fraccionario, 31 de julio. Salvador Eduardo Velasco Pérez, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en 55 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Informática, Proyecto: “Lematización y corrección ortográfica RSNWEB”, 5 de agosto. Emmanuel Valdez Cabello, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, Proyecto: “Mesa flexible para el soldado de estructuras”, 7 de agosto. Ana Karen Cavazos Robledo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, Proyecto: “Estrategias motivaciones aplicadas en troquelados y laminados Monterrey S.A de C.V”., 12 de agosto. Sandra Delia Bernal Aguayo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, Proyecto: “Diseño de propuesto de una empresa de consultoría”, 14 de agosto. Jesús Armando Cumplido Rodríguez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: “Optimización de espacios dentro de un centro de distribución mediante el incremento de la capacidad implementando el uso de racks”, 17 de agosto. Jorge Arturo Martínez González, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: “Uso de la mejora continua para alcanzar indicadores clave mediante un sistema de administración”, 26 de agosto. Doris Karina Guzmán Coronado, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, Proyecto: “Rotación, causas y solución”, 26 de agosto. Héctor Esponda Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Identificación de la corriente inrush en un transformador de potencia utilizando análisis modal”, 27 de agosto. Fernando Guerrero Vélez, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Dinámica de Vuelo, Tesis: “Diseño de sistema de navegación y guiado para un vehículo aéreo”, 28 de agosto. Perla Yamile González Dueñez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Estudio de las competencias relacionadas al proceso investigativo, caso mujeres estudiantes de posgrado”, 31 de agosto. Rolando Cruz Vesrastegui, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, Proyecto: 56 “Mecatrónica aplicada en la medicina”, 4 de septiembre. Carlos Alberto Villarreal Padilla, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, Proyecto: “Puesta en marcha y posicionamiento en el mercado de una bebida elaborada a base de suero de leche de vaca”, 9 de septiembre. Pedro Iván López Hernández, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, Proyecto: “AP NET 5CO: promoción y comunidad de AsP.Net5”, 9 de septiembre. Evangelina Ramírez Montaño, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, Proyecto: “Proyecto de negocio”, 14 de septiembre. Mayté Salazar Garza, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, Proyecto: “Selección de socios de transportes mediante la herramienta cuantitaiva AHP.”, 14 de septiembre. Rodrigo Guillermo Triana Reyna, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, Proyecto: “Esfuerzos residuales en soldaduras en componentes estructurales”, 15 de septiembre. Jorge Manuel Taboada Solís, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Materiales. Tesis: “Caracterización de superaleación base níquel C-263 de anillo de forja sin costura en la industria aeronáutica”, 17 de septiembre. Luis Alberto Espinoza Zuñiga, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz, Tesis: “Evaluación de la integridad superficial de la aleación de AI-6063 para componentes automotrices”, 18 de septiembre. Manuel Tovar García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, Proyecto: “Cultura del reciclaje en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME)”, 21 de septiembre. Sergio Armando Bustamante Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, Proyecto: “Diagnóstico Energético”, 21 de septiembre. Gerardo de Jesús Balderas Juárez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, Proyecto: “Safe Now”, 23 de septiembre. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Eduardo Valverde Reyes, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales, Tesis: “Comportamiento fotooxidativo de compositos de polietileno de alta densidad con incorporación m-Bi2MoO6”, 25 de septiembre. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 Carlos Alberto Haro Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, Proyecto: “Evaluación de condición y estimulación de vida residual de transformadores de potencia en servicio”, 28 de septiembre. 57 �Acuse de recibo Revista internacional de métodos numéricos para cálculo y diseño en ingeniería La revista contribuye a la difusión de los desarrollos teóricos y aplicaciones prácticas de los métodos numéricos en español y portugués. Aunque su publicación física trimestral se encuentra en la Universidad Politécnica de Cataluña en España, cuenta con colaboraciones de la Sociedad Española de Métodos Numéricos en Ingeniería de Barcelona, la Asociación Argentina de Mecánica Computacional de Santa Fe, Argentina y del Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería también de Barcelona, España. Los nuevos números de la revista pueden ser accedidos mediante la siguiente página: http://www.elsevier.es/es-revista-revistainternacional-metodos-numericos-calculodiseno-ingenieria-338 DOCM 58 Ingenium Ingenium es una publicación que realiza la Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas de la Universidad Santiago de Cali. En sus articulos se podrán encontrar diversos estudios que aportan a la ingeniería. En el presente número podemos encontrar un artículo sobre el Uso de biomasas para la adsorción de plomo, níquel, mercurio y cromo, realizado por Candelaria Tejada Tovar, el cua plantea realizar dicho proceso por subproductos agrícolas por estar altamente disponibles y ser económicos y eficientes. La revista puede ser encontrada electronicamente en la página: http://revistas. usc.edu.co/ DOCM Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 �Colaboradores Almaguer López, Rafael Baruc Estudiante de Ingeniero en Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UANL. Tiene habilidades para el diseño electrónico y programación de microcontroladores. Ha colaborado en actividades académicas relacionadas en este campo de la ingeniería. Sus intereses son en electrónica vinculada con la inteligencia artificial. Bolarín Miró, Ana María Química Metalúrgica por la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Barcelona, España (1994). Doctorado en Ciencias de los Materiales Metálicos por la Universidad de Barcelona, España (1999). Actualmente es profesor Investigador de la UAEH desde 1999, miembro del SNI nivel 2 y profesor con perfil deseable PROMEP. Cortés Escobedo, Claudia Alicia Ingeniera Química Industrial (2001) y Maestra en Ciencias en Metalurgia y Materiales por la ESIQIEIPN (2005). Doctora en Ciencias en Materiales por el CINVESTAV-IPN (2007). Posdoctorado en la Universität des Saarlandes, Saarbrucken, Alemania (2009). Posdoctorado en la ITODYS, Université de Paris Diderot, Paris, Francia (2013). Actualmente es docente-investigadora en el CIITEC-IPN desde 2006 y miembro del SNI nivel 1 desde 2009. Sus líneas de investigación están dirigidas hacia la síntesis y caracterización de materiales funcionales. Cabrera Ríos, Mauricio Obtuvo el doctorado en Ingeniería Industrial y de Sistemas en la Universidad Estatal de Ohio en 2002. Llevó a cabo el posdoctorado en la misma universidad durante el 2003. Del 2004 al 2008 fue Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 profesor investigador (SNI Nivel 1) en el Programa de Posgrado en Ingeniería de Sistemas de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Del 2008 a la fecha ha estado afiliado al Departamento de Ingeniería Industrial de la Universidad de Puerto Rico, Recinto de Mayagüez. Sus intereses de investigación abarcan la caracterización estadística, la modelación matemática y la optimización de criterios múltiples en procesos tanto de manufactura como biológicos. Autor de más de 50 artículos técnicos arbitrados y director del Applied Optimization Group (/www.facebook. com/AppliedOptUPRM/). Editor fundador de JOUST (Journal of Undergraduate Research Students) y colaborador de Ingenierías desde el 2005. García Solís, Adrián Emmanuel Estudiante de Ingeniero en Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UANL. Realizó sus prácticas profesionales en el área de Calidad estandarizando procesos para Servicios Integrales Nova de Monterrey. Obtuvo reconocimiento al mérito académico por parte de la FIME, formando parte del grupo de los 100 mejores promedios de la Facultad. Garza Navarro, Marco Antonio Ingeniero Mecánico Electricista (2004), M.C. en Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2006) y Doctorado en Ingeniería de Materiales (2009) por la FIME-UANL. Premio de Investigación UANL-2009, Nivel I en el SNI. Actualmente es Profesor Investigador de la FIME-UANL. Gaytán Cavazos, Carlos Recibió el grado de Ingeniero Mecánico Electricista en la Universidad Autónoma de Nuevo León. 59 �Colaboradores Ingresó a la empresa Prolec GE en año de 1988 especializándose durante más de dos décadas en el diseño de los transformadores. Actualmente es el Gerente de Tecnología y Desarrollo de Producto para la división de Transformadores de Distribución. Carlos es miembro activo y lidera varios grupos de trabajo de la IEEE. González González, Virgilio Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales otorgado por la FIME-UANL. Ha sido investigador científico en el campo de los polímeros desde 1975, tiene en su haber más de 40 publicaciones técnico-científicas y de difusión. Ha sido jefe de los departamentos de Fisicoquímica de Polímeros y Macromoléculas. Es miembro del SNI nivel II. Es profesor de tiempo completo de la FIME desde 1998. Idárraga Ospina, Gina Ingeniera Electricista de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Medellín (2002). Doctora en Ingeniería Eléctrica, Universidad Nacional de San Juan (UNSJ), Argentina (2007). Investigadora invitada de la Friedrich Alexander Universität, Erlangen- Nürnbert, Alemania (2006 y 2009). Actualmente Profesora Investigadora de la División de Posgrado en Ingeniería Eléctrica en la Universidad Autónoma de Nuevo León. México. (desde 2008). Sus áreas de interés incluyen la simulación y modelado de fenómenos transitorios, procesamiento de señales y aplicación de la transformada wavelet en sistemas eléctricos de potencia. López Guerrero, Francisco Eugenio Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero en Control y Computación de la UANL Obtuvo el grado de Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Sistemas en la misma Universidad, durante estos estudios participó en la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania en donde desarrolló su tesis de maestría. Doctor en Ingeniería de Materiales en la Universidad Autónoma de Nuevo León trabajando en conjunto con el Departamento de Materiales y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Profesor de tiempo completo de la División de Ingeniería Mecánica de 60 la FIME. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. Martínez Calderón, Horacio Estudiante de Ingeniero en Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UANL. Obtuvo el título de Técnico en Electrónica por el Bachillerato Tecnológico Industrial y de Servicios #34.Tiene experiencia en el diseño mecánico y de circuitos electrónicos, así como el manejo de inglés certificado EXCI. Sus áreas de interés son la robótica y sistemas de control robustos. Actualmente hace su tesis en el postgrado de eléctrica de la FIME, en el campo de conversión eficiente de energía. Morones Ibarra, J. Rubén Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas (UANL). Obtuvo su doctorado en Física en el área de Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es maestro de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL. Ortiz Méndez, Ubaldo Egresado de la Facultad de Ciencias FísicoMatemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencias de Materiales en la Universidad Claude Bernard de Lyon, Francia y su doctorado en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon. Es investigador de la FIME-UANL, miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y miembro del SNI. Actualmente es director del Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología (CIIDIT). Palomino Reséndiz, Roberto Luis Ingeniero en Mecatrónica por el Instituto Tecnológico de Tlalnepantla (2010), con especialidad en Control y Automatización de procesos de manufactura, Actualmente estudiante del programa de Doctorado en Ciencias de los Materiales por la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Saldívar Hinojosa, Juan José Recibió el grado de Ingeniero Mecánico Electricista en 1991 en la Universidad Autónoma de Nuevo León. Ingresó a la empresa Prolec GE en año de 1991 como Ingeniero de Diseño y actualmente se desempeña como Gerente de Desarrollo de Producto en el Departamento de Desarrollo de Producto en la División de Transformadores de Distribución. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 �Colaboradores Sánchez de Jesús, Félix Ingeniero Mecánico-Electricista por la FI-UNAM (1993). Master en Tecnología de Pinturas, Fundación Bosch i Gimpera-Universidad de Barcelona, España (1995). Doctorado en Ciencias de los Materiales Metálicos por la Universidad de Barcelona, España (1999). Actualmente es Profesor-Investigador de la UAEH desde 2000, miembro del SIN nivel 1 y líder del CA-PQFES-UAEH, PROMEP. Tenorio González, Felipe Nerhi Ingeniero Mecánico Automotriz por la Universidad Politécnica de Tecámac, México (2013). Actualmente estudiante del Doctorado en Ciencias de los Materiales en la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, México. Torres Castro, Alejandro Maestro en Ciencias y Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Posdoctorado en University of Texas at Austin, USA. Actualmente es profesor investigador en la FIME. Torres Treviño, Luis Martín Cursó la Licenciatura en Electrónica con especialidad en Sistemas Digitales en la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí 1994. Obtuvo el título de Maestría en Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control automático por parte de la misma facultad 1997. Se tituló de Doctor en Ciencias con especialidad en Sistemas Inteligentes en el Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey campus Monterrey en el año de 2001. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 Actualmente labora como profesor investigador Universidad Autónoma de Nuevo León Vera Serna, Pedro Ingeniero Mecánico del Instituto Tecnológico de Pachuca (1998), Doctorado en Ciencias de los Materiales por la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo (2010), Estancia de Investigación en la Universidad Tecnológica de Bratislava en Eslovaquia (2008), ha participado en proyectos de mejora, investigación y desarrollo tecnológico de materiales, procesos de manufactura y diseño en empresas como Zetrak, DINA, Bombardier, Cooperativa de Trabajadores de Pascual, Transmasivo, Nafex. Actualmente Profesor de Tiempo Completo en la Universidad Politécnica de Tecámac, con la distinción de SNI nivel I. Zambrano Gómez, Elisa Recibió el grado de Ingeniero Mecánico Electricista en el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Adicionalmente obtuvo el título de Ingeniero así como una Especialidad en Energías renovables por parte de l’École Nationale d’Ingénieurs de Metz en Francia. Posteriormente cursó la Maestría en Ingeniería Eléctrica en la Universidad Autónoma de Nuevo León. Ingresó a la empresa Prolec GE en año de 2011 como Ingeniero de Desarrollo Eléctrico en el Departamento de Desarrollo de Producto en la División de Transformadores de Distribución. Actualmente se desempeña como Líder de Planeación Tecnológica. 61 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de 62 investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Revisores Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, 63 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. 64 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2015 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 18 Número Número de la revista 69 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2015, Año 18, No 69, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2015 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020832 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Dispersión en Cálculos Fisiograma Modelos Empíricos Redes neuronales Robot https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20791/Ingenierias_2015_Ano_18_No_68_Julio-Septiembre.pdf ceb2c930295163a5abfdef0bd82124f7 PDF Text Text ��68 Contenido Julio-Septiembre de 2015, Año XVIII, No. 68 2 3 6 15 23 32 41 52 57 59 60 63 64 Directorio Editorial: Formación Internacional Arnulfo Treviño Cubero La luz en la cultura Azteca-Mexica Paola Angelica Sosa Salazar, Oscar Rene González López Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación en una fibra óptica Vidal Alfredo Trejo Rocha, Maripaz Moreno Díaz, Norma Patricia Puente Ramírez Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura del sector urbano en Girardot-Cundinamarca Aldemaro Gulfo Mendoza, Luis Fernando Serna Hernández Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno Mayra Iveth Llamas Hernández, Carlos Alberto Guerrero Salazar, Martín Edgar Reyes Melo, Juan Francisco Luna Martínez Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales Rodrigo Puente Ornelas, Leonardo Chávez Guerrero, Gerardo Fajardo San Miguel, Alejandro Trujillo Álvarez, Herlinda María Delgadillo Guerra Eventos y reconocimientos Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Acuse de recibo Colaboradores Información para colaboradores Código de ética Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 3 �DIRECTORIO Ingenierías, Año XVIII, N° 68, julioseptiembre 2015. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Impresos Baez, Jesús M. Garza 3219 Oriente, Col Francisco I. Madero, Monterrey Nuevo León, México, C.P. 64560. Fecha de terminación de impresión: 15 de julio de 2015. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2015 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván M.C. Jesús G. Puente Córdova Daniela Gutiérrez Dimas Redacción Gregoria Torres Garay Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster María de los Ángeles Baez Acuña Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / M.I.A Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL /Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio Ángel González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / M.C. Gabriel Martínez Alonso, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL. 4 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 �Editorial: Formación Internacional Arnulfo Treviño Cubero Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Arnulfo.Trevinoc@uanl.mx La educación superior en México está enfrentando diversas demandas sociales que son consecuencia de un entorno que cambia rápidamente, como resultado, entre otros factores, de los procesos de globalización; del desarrollo de la sociedad del conocimiento; de la innovación científico-tecnológica; de las veloces transformaciones en la estructura del mercado laboral y de las ocupaciones; de una mayor exigencia por la pertinencia y calidad de la educación que imparten. Una exigencia del mundo globalizado es que las instituciones de educación superior mexicanas formen profesionistas que sean competentes a nivel internacional, lo cual significa que sus egresados deben tener los mismos conocimientos, habilidades, destrezas y actitudes, que los que se forman en escuelas extranjeras, para lo cual, se hace necesario contar con programas educativos pertinentes que atiendan a las necesidades que ahora se presentan, la capacitación y actualización de la planta docente, el contar con cuerpos académicos consolidados, en consolidación y en formación, con líneas de generación y aplicación del conocimiento acordes a los programas educativos y que integren a los profesores según su perfil participando en redes temáticas interinstitucionales, formar células académicas de colaboración que contribuyan a la propuesta de proyectos de investigación, desarrollo e innovación (I+D+I) entre dependencias e instituciones nacionales e internacionales, que tenga por resultado la movilidad académica en general, la codirección de tesis y trabajos de divulgación, entre otros. Esto se consigue a través de diseños curriculares adecuados y de la capacitación de profesores para que ofrezcan los elementos que ese tipo de formación requiere. Adicionalmente a la formación en las aulas, se tienen seminarios, conferencias y cursos que están dictados por profesores de otras instituciones educativas. También existe la intención de que los estudiantes tengan contacto directo con el medio académico de otras instituciones, por lo que es cada vez más común que haya programas educativos que consideran la movilidad académica de estudiantes, la cual consiste en que ellos realicen parte de su formación integral, tomando cursos o realizando prácticas, en otras organizaciones del extranjero. Los estudiantes que participan en esta actividad representan a su institución de origen, por lo que se requiere un proceso de selección cuidadosa de los candidatos que asegure el mejor aprovechamiento de esta oportunidad para complementar la formación, lo cual requiere que los profesores conozcan bien sus implicaciones. Los profesores que participan en este programa tienen conocimiento de cómo funcionan las cosas en otros países, especialmente aquellos Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 5 �Formación Internacional / Arnulfo Treviño Cubero. a los que la movilidad está orientada, por lo que pueden validar y promover las actitudes necesarias en los estudiantes a los que ya se les ha detectado cierto interés y sobre todo, capacidad para aprovechar esa experiencia. Esto significa que la interacción entre profesores y estudiantes es indispensable, ya sea informalmente o mediante la tutoría, individual o por grupos de profesores. La tutoría es una actividad que no se da por decreto, en diversos cursos y diplomados se hace mención de un aspecto empático entre el tutor y el tutorado. La vocación de un profesor lo distingue de un empleado, un profesor termina satisfecho de su clase cuando siente que ha logrado transmitir algo que ayudará a los estudiantes a construir las competencias que correspondan a su curso. Esta misma vocación hace que un profesor note que en su grupo hay ciertos estudiantes que tienen facilidad o talento para entender los temas en los que él trabaja, lo que hace que se conozcan mejor, de manera que sin realmente proponérselo se da una labor de tutoría, que lleva a que el profesor le ofrezca más información que promueva ese talento. ¿Qué más hace este profesor para promover ese interés? entre otras cosas, le recomienda material complementario, lo invita a que tome clase con ciertos profesores con los mismos intereses, lo motiva para que aprenda otro idioma, lo entera de convocatorias. La vocación del profesor hace que además de detectar el talento, trate de cultivarlo y promoverlo, mediante la guía y ejemplo, para lograr la formación integral del estudiante. Uno de los elementos más importantes en la vida de un profesor es su libertad para emprender iniciativas, no se requiere un programa especial para que realice esta labor académica, ya que por la naturaleza de su misión, las instituciones de educación dejan ese espacio para actuar. ¿Qué pasaría si hubiera un sistema que impidiera al profesor ayudar a un estudiante debido a que no es su tutor asignado? Eso no funcionaría, y por eso los programas de tutoría institucionales siempre dejan cierta flexibilidad en esta relación, de manera que se procura que en efecto los tutores y sus tutorados se identifiquen ellos mismos. De la misma forma que los profesores realizan tutoría individual, la flexibilidad académica de las instituciones favorece que la tutoría también sea realizada por algún grupo de profesores hacia grupos de estudiantes. En ambos casos parte del objetivo es identificar a aquellos que tienen el talento, el deseo y la capacidad (hay que querer y hay que poder), y los que tienen áreas de oportunidad, para poder establecer el mejor entorno para que aprovechen los diversos programas especiales que son parte de los modelos de formación integral y que incluyen actividades académicas, artísticas y deportivas. Estas actividades se promueven a través de programas de talentos y de movilidad, y particularmente en la FIME, mediante reconocimientos como el grupo de los 100 y el reconocimiento al mérito académico. Estos programas tienen la intención de encontrar a esos estudiantes adecuados en una etapa temprana, en los primeros semestres, para que se desempeñen con éxito durante sus estudios. La ventaja de que esta tarea se haga en una etapa temprana es que los estudiantes podrían poner en práctica el consejo, dado a través del ejemplo y no sólo mediante las palabras, de los profesores, a tiempo para poder disfrutar de los beneficios de estos programas. Por ejemplo, un estudiante que aspira a participar en el programa de movilidad tendría tiempo para dedicar el esfuerzo necesario para cumplir con los requisitos de tal aspiración. 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 �Formación Internacional / Arnulfo Treviño Cubero. Este búsqueda inicia con el proceso normal de admisión de la institución, y después, los profesores que imparten clases en ciencias básicas, son los que tienen la primera oportunidad para detectar a los estudiantes cuyas actitudes y valores son propicias para que tengan una formación sólida, por supuesto integral, para que se desarrollen adecuadamente en cualquiera de los programas en que participen, ya sea durante su estancia como estudiantes, como en su vida profesional. Una limitación para lograr que todos los estudiantes participen en el programa de movilidad es la capacidad de las instituciones receptoras, por lo que no es posible que todos los estudiantes estén en el programa de movilidad. Sin embargo, esta condición no es una limitante para que todos los estudiantes reciban los elementos de construcción de competencias de nivel internacional. Esto también significa que los estudiantes que no participan en el programa de movilidad no se ven perjudicados porque la formación que tienen al cursar su carrera es de tipo internacional, ya que la currícula está diseñada tomando en cuenta esa exigencia, por lo que aun los estudiantes que no vayan al extranjero reciben esa formación, para que sean competentes a nivel internacional. La diferencia está en la experiencia misma, que es deseable, pero no en la formación. Sin restar importancia al programa de movilidad, se debe tener presente que es sólo uno de los elementos de auxilio en la formación internacional de los estudiantes, que es altamente deseable, mas no indispensable, dado el diseño de las curriculas. Lo que sí es indispensable es que los estudiantes y sus tutores tengan buena comunicación, que los tutores promuevan la formación internacional y tener una estructura, en base a las academias, para dar el seguimiento y realizar las acciones necesarias para que los estudiantes vayan desarrollando las competencias previstas en la currícula. Es claro que las competencias internacionales de los ingenieros tienen una fuerte acentuación sobre las ciencias básicas, por lo que se debe procurar en las instituciones de educación superior, las condiciones que aseguren que todas las academias, con sus profesores, trabajen en favor de la formación de ingenieros con competencias internacionales con especial atención en las ciencias básicas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 7 �La luz en la cultura AztecaMexica Paola Angélica Sosa Salazar, Oscar René González López Instituto Nacional de Antropología e Historia, Museo del Templo Mayor, México paola_sosa@inah.gob.mx RESUMEN Con motivo del Año Internacional de la Luz, se ha publicado una variedad de documentos sobre su naturaleza, la visión de diferentes culturas, así como las tecnologías basadas en ella. La parte visible del espectro electromagnético es la más conocida y con el que mayor relación tienen las culturas, asociándolo al sol, al fuego, a los cuerpos celestes que reflejan la luz del sol y a otros objetos incandescentes. Dada la importancia de nuestro país en la propuesta para que la Asamblea General de las Naciones Unidas proclamara el año 2015 como el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en Luz, consideramos oportuno hacer una mención general de lo que significa la luz para la cultura Azteca-Mexica, incluyendo una propuesta reciente sobre espejos de agua. PALABRAS CLAVE IYL2015, luz, Azteca, Mexica. ABSTRACT After The International Year of Light and technologies based on Light, several documents about its nature, the vision of different cultures, as well as technologies based on ti, have been published. The visible portion of the electromagnetic spectra is the best known, with the greatest relation with cultures in association with the sun, the fire, the celestial bodies that reflect light, and other incandescent objects. Given the importance of Mexico in the proposal for having the International Year of Light and Technologies based on Light 2015 proclaimed by The General Assembly of The United Nations, we consider the opportunity for making a general mention of the meaning of the light for the Aztecan-Mexian, including a recent proposal about water mirrors. KEYWORDS IYL 2015, light, Aztecs, Mexicas. INTRODUCCIÓN 2015 ha sido proclamado el Año Internacional de la Luz y las tecnologías basadas en la luz por la 68 Asamblea General de la Naciones Unidas, reconociendo con esta decisión la importancia de la luz en la vida de la humanidad, sus sociedades y sus retos tecnológicos. La luz ha sido esencial en la vida del hombre desde sus orígenes, su manipulación permitió el nacimiento de las civilizaciones 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. y su desarrollo es una constante en la historia del mundo. En este contexto abordaremos el concepto de luz en una cultura emblemática de la identidad nacional, los azteca-mexicas, explorando su relación con la luz como energía divina y algunos usos cotidianos. Sin pretender un texto de investigación científica, revisaremos desde la traducción de los textos en lengua náhuatl proporcionados por los informantes de Sahagún, como los Mexicas crearon su imaginario social en torno a la luz. “In Tlamatini: Tlavilli ocult, tomovacocult hapocyo”. “El sabio: una luz, una tea, una gruesa tea que no ahuma”. Informantes de Sahagún, tr. M-León Portilla ORIGINARIOS DE LA LUZ Habitar el altiplano mexicano era vivir en contrastes de colores, expuestos a tonalidades, a luces que partían el día, la luz era sinónimo de sabiduría, tanto que define al filósofo (Tlamatini), así como define las transiciones de tiempo y espacio, gestación y ocaso, ya que para los mexicas el universo existía gracias al movimiento y este era el resultado de dos fuerzas complementarias que se confrontaban eternamente en su lucha por ocupar el lugar del otro. Estas energías eran básicamente la luz y la oscuridad, elementos que relacionaban a estas fuerzas como el frío y el calor, el día y la noche, lo femenino y los masculino entre otros. “Se dice que cuando aún era de noche, cuando aún no había día, cuando aún no había luz, se reunieron, se convocaron los dioses allá en Teotihuacan” Informantes de Sahagún Los diferentes textos recuperados por Sahagún, Duran, Torquemada y los frailes franciscanos revelan claramente el proceso de explicación empírica de la realidad. Entretejida la observación de la naturaleza, la humanización de la misma se va construyendo la Ciencia Mexica que da sentido a la existencia. Inmersos en una cuenca rodeada de volcanes no es de extrañar que la observación y estudio Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 del comportamiento vulcanológico identifique la antigüedad de la tierra siendo precisamente el Huehuetéotl (Dios viejo) la deidad antigua, la primera luz que calienta y da vida, la que ha sido dada a los hombres, su abuelo, un señor del tiempo, eje que como sea denota la eternidad. Huehuetéotl es considerado manifestación luminosa y terrestre del Ometéotl, ese ser originario que las crónicas de Cuahutitlán: 1 “Y se refiere, se dice 2 que Quetzalcóatl, invocaba, hacía su dios a algo (que está) en el interior del cielo. 3 a la del faldellín de estrellas, al que hace lucir las cosas; 4 Señora de nuestra carne, Señor de nuestra carne; 5 la que está vestida de negro, el que está vestido de rojo; 6.-La que ofrece suelo (o sostiene en pie) a la tierra, y que la cubre de algodón. 7.-Y hacia allá dirigía sus voces, así se sabía, hacia el lugar de la Dualidad, el de los nueve travesaños con que consiste el Cielo... “ Transcripción de Miguel León Portila en Lafilosofia Náhuatl estudiada en sus fuentes Padre y Madre de los dioses, Ometéotl vive en el ombligo del cielo y es luz, tanto como obscuridad, la crónica de Cuahutitlán lo define claramente: 1 “Madre de los dioses, padre de los dioses; el dios viejo, 2 tendido en el ombligo de la tierra, 3 metido en un encierro de turquesas. 4 El que está en las aguas color de pájaro azul, el que está encerrado en nubes, 5 el dios viejo, el que habita en las sombras de la región de los muertos, 6 el señor del fuego y del año.” Simultáneamente, padre y madre (Ometéotl) han dado vida a todo cuanto existe y en el principio hicieron el fuego, el sol, la luz. 2 y todos cometieron a Quetzalcóatl y a Uchilobi (Huitzilopochtli), que ellos dos lo ordenasen, y estos dos, por comisión y parecer de los otros dos, hicieron luego el fuego, y fecho, 7 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. hicieron medio sol, el cual por no ser entero no relumbraba mucho sino poco. Transcripción de Miguel León Portila en La filosofía Náhuatl estudiada en sus fuentes. Creaciones binarias, fuego y sol, hombre y maíz, pareciera un eje de significación donde un elemento alimenta al otro. El fuego primigenio esta ahí, desde el origen, desde el “ombligo” mientras las otras luces “los tezcatlipocas” toman su lugar, en especial Quetzalcóatl el venus mexicano, la estrella de la mañana, la luz vespertina, la serpiente que combate al jaguar, cuya piel es un cosmos invertido, un mapa de las estrellas. El rojo amanecer que se puede observar en el oriente definido por Tezcatlipoca rojo siempre mantiene la obscuridad al norte, permanente de tal que sólo puede ser clareada avanzada la mañana, sin embargo permite siempre la presencia de Venus, estrella matutina y vespertina, según la cuenta de los días. El azul permanente reflejo de luz que todo el año esta presente y sólo se tiñe con los contrastes de la lucha entre el día y la noche variando desde el rojo sanguíneo hasta el morado nocturnal, es el Huitzilopochtli cara del sur. Ahora el universo tiene colores y luces contrastantes que solo quienes han vivido en campo abierto podrían confirmar, quienes han podido amanecer en la cima de la montaña saben que esta coloración no es casualidad. La observación de los colores de las luces de la naturaleza tiene implícita la concepción de movimiento pero las luces creadoras aun no han sido perfeccionadas y los Dioses se reunieron en Teotihuacan para una nueva creación. “Llegada la media noche, todos los dioses se pusieron en derredor del hogar que se llamaba. En este lugar ardió el fuego cuatro días... y luego hablaron...” “Después que ambos se hubieron arrojado en el fuego, y que se habían quemado, luego los dioses se sentaron a esperar a qué parte vendría a salir el Nanahuatzin.” “Habiendo estado gran rato esperando, comenzóse a poner colorado el cielo, y en todas partes apareció la luz del alba.” 8 “...miraron a todas partes volviéndose en derredor, mas nunca acertaron a pensar ni a decir a qué parte saldría, en ninguna cosa se determinaron; algunos pensaron que saldría de la parte norte, y paráronse a mirar hacia él: otros hacia medio día, a todas partes sospecharon que había de salir; porque por todas partes había resplandor del alba; otro se pusieron a mirar hacia el oriente, y dijeron aquí de esta parte ha de salir el sol. “ “...los que miraron hacia el oriente fueron Quetzalcóatl, que también se llama Ecatl, y otro que se llama Tótec... y cuando vino a salir el sol, pareció muy colorado, y que se contoneaba de una parte a otra, y nadie lo podía mirar, porque quitaba la vista de los ojos, resplandecía, y echaba rayos de sí en gran manera, y sus rayos se derramaron por todas partes...” Citado por Miguel León Portilla en su folosofia Náhuatl El alba luz total que inunda todo el universo, sólo opacada por el rojo sol del oriente previsualizado por Quetzalcóatl, da fundación al quinto sol denominado Nahui Ollin o sol de movimiento y el Códice Matritense (figura 1) lo relata: “al principio el quinto Sol no se movía: “entonces, dijeron los dioses, ¿cómo viviremos? ¡No se mueve el Sol!” Para darle fuerzas se sacrificaron los dioses y le ofrecieron su sangre. Por fin sopló el viento y “moviéndose, siguió el Sol su camino” “ Citado por Miguel León Portilla en su filosofía Náhuatl La lectura de este fragmento del Códice Matritense nos permite ingresar el concepto de movimiento a la explicación simbólica de la realidad mexica. Movimiento---> vida Sangre = alimento Alimento----> vida Para lo cual se requiere de un ejercicio transformacional que pasa del estado de “no vida” al estado de vida por medio de la ingesta de la sangre derramada en sacrificios. Existe pues una correlación de elementos luminosos que se articulan con otros elementos Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. Fig. 1. Códice Matritense. naturales; unos les contienen, otros les animan, y valga decir que, por lo mismo los reflejan. Establecer la fundamentación del mundo desde estas relaciones, implica un ejercicio que define no solo los principios de interacción manifestados claramente en la construcción del imaginario mexica sino también la jerarquización de la vida cotidiana. Brevemente sintetizaremos como cada fenómeno luminoso, cada manifestación de soles, estrellas, planetas y demás quedan jerarquizados y por tanto también entrelazados. El codice Vaticano muestra claramente esta integración. En el primer cielo, el cielo inferior, el que todos vemos: es éste aquel por donde avanza la luna (llhuícatl Metztli) y en el que se sostienen las nubes. El códice Matritense lo describe: 1 ”Cuando la luna nuevamente nace, parece como un arquito de alambre delgado, aún no resplandece, y poco a poco va creciendo, 2 a los quince días es llena, y cuando ya lo es, sale por el oriente. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 3 A la puesta del sol parece como una rueda de molino grande, muy redonda y muy colorada, 4 y cuando va subiendo se para blanca o resplandeciente; aparece como un conejo en medio de ella, y si no hay nubes, resplandece casi como el sol a medio día; 5 y después de llena cumplidamente, poco a poco se va menguando hasta que se va a hacer como cuando comenzó; 6 dicen entonces, ya se muere la luna, ya se duerme mucho. 7 Esto es cuando sale ya con el alba, y al tiempo de la conjunción dicen: “ya es muerta la luna”. Toda la observación empírica de los tlamatimini mexicas está basada en que la luminosidad define tonalidades, equiparadas con procesos de vida y muerte. En el segundo cielo se encontraba el faldellín de estrellas, manifestación femenina de Ometéotl y divide dos grandes campos Las estrellas del Norte o Centzon Mimixcoa y las estrellas del sur CetzonHuitznahua. Y de aquí toda la visualización de estrellas y constelaciones que dan forma al ciclo de 52 años mediante el movimiento de las Tianquiztli o pléyades que determinaban el encendido del fuego nuevo. Los informantes de Sahagún relatan el tercer cielo 1 ”El Sol, águila con saetas de fuego, 2 Príncipe del año, dios. 3 Ilumina, hace resplandecer las cosas, las alumbra con sus rayos. 4 Es caliente, quema a la gente, la hace sudar, vuelve moreno los rostros de la gente, los ennegrece, los hace negros como el humo”. Descripciones que definen la acción de la luz primigenia de esa creación de los Dioses que integra no solo el tránsito de la noche al día, dominio de Tonatiuh, mas el cuarto cielo es el terreno de Venus la huey citlallin o estrella grande Existen trece cielos en la cosmogonía mexica, pero hasta aquí queda la fuerza de la luz manifestada en el sol y las estrellas, protagonistas de la gran batalla de los Dioses, de la alternancia de los elementos. La lengua, que da cuenta de la visión permanente de la luz y las palabras derivadas de la raíz sustantiva, 9 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. nos permite aproximarnos a la complejidad del pensamiento azteca-mexica. Podemos entender claramente que la luz tiene su origen en lo que baja y va adquiriendo modificaciones tanto simbólicas, como descripciones físicas que derivan en la cualidad del espejo. De aquí la existencia del concepto Tezcatlanextia “el espejo que hace aparecer las cosas” ve su origen etimológico en la palabra Tlanextia. Pero va más allá de una simple palabra compuesta designa al instrumento que refleja iluminando la vida pero baja la inevitable dualidad mexica coexiste con Tezcatlipoca “el espejo humeante” el cual obscurece con su humo la creación. Tezcatlipoca, nombre dado a los hijos de Ometéotl, el blanco, el negro, el rojo y el azul, representaciones de las diferentes tonalidades de luz que manifiestan los cuatro momentos geosolares. Este complejo de observaciones de la naturaleza en que vivían los mexicas y que se manifiesta en la reinterpretación lingüística y simbólica por medio de historias mitológicas que explican su realidad, propósito y destino en tanto pueblo predestinado por los dioses para llevar “la luz” a otros pueblos. Ahora el espejo (valga decir el reflejo) es un elemento fundamental para comprender el universo esta naturaleza de la tezcatlanextia para crear, y para ocultar. La arquitectura es siempre un reflejo de la cultura, da cuenta físicamente de las respuestas del ser humano a su presencia en el medio ambiente, ya sea para integrarse a él o para modificarlo. Palabra Carga semantica (no Nahuatl significado) Tlani Lo que baja Tlane (ci) Luz que rompe el día (alba) Tlanecitia Luz que rompe la obscuridad Tlanextli Luz Radiante Tlanextia Alumbrar Tlanextilia Transitivo de alumbrar (lo que va alumbrando) Tlanexilia Amanecer Tlanex yotl El resplandor (lo que es luz) El análisis es nuestro sobre un corpus presentado en el texto “An Analitical Dictionary of Nahuatl” de Francés Kattunen. 10 En la cultura azteca-mexica donde todo es resultado de esta ciencia empírica, nacida de la observación y resemantizada desde el ejercicio simbólico de las fuerzas naturales es evidente que los procesos urbanísticos estaríaninmersos en esta acción creadoraocultanten de la Tezcatlanextia. Es Teotihuacan el modelo de desarrollo arquitectónico más antiguo donde la construcción de edificios ceremoniales como las pirámides reproducciones humanas de los cerros donde viven los dioses “Altépetl” en tanto centros de habitat y de poder político contrastan con las habitaciones de los hombres comunes, agrupados en barrios, según su oficio, según su linaje y casta, según su origen étnico. No observaremos ahora los Altépetl y sus maravillosos efectos luminosos que sin duda son ejemplo de observaciones transmitidas generacionalmente por medio de tradición oral y confirmada por recientes estudios arqueoastronómicos, sino que nos concentráremos en el modelo constructivo y de iluminación de los centros poblacionales que aun conservamos como Zacuala, Tepantitla Atetelco y que nos permiten rastrear ejes arquitectónicos que llegan hasta Tula la grande en el palacio quemado y la casa de las águilas en el complejo del Templo Mayor, centro político ceremonial de la Gran Tenochtitlán. Cada casa es un elemento de reordenación entre los mundos y desde luego habría que incluir dos elementos esenciales, la luz eje de comunicación y convivencia y el agua eje de articulación e integración por medio del anillo de agua y del teoatl unificador universal. Una forma de encontrar si el principio de los espejos de agua es real, es analizando la planta de un edificio en Zacuala (figura 2) cercano al centro de poder teotihucano. Podemos observar hoy día los basamentos y pies de los muros que forman parte de este edificio, así como las plataformas que sostenían los muros por donde penetraba la luz que se reflejaba en espejos de agua que hoy claramente se pueden observar. Sabemos que no son patios hundidos por la profundidad de los espacios, las reconstrucciones han mostrado como Zacuala tenia esos tragaluces y evidentemente han quedado descubiertas las coincidencias entre las áreas con columnas y esas poco profundas áreas hundidas donde seguramente Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. se reflejaba el agua durante el día coloreando los rojos muros de las habitaciones teotihuacanas. Manifestaciones internas de la Ilhuica-atl que refleja claramente esas TezcaTlanextlia integando a las fuerzas de los Dioses dentro del recinto no solo iluminando la habitación sino tambien coexistiendo. Teotihuacán sería abandonado y posteriormente en Tula, la grande, se construiría la ciudad Tolteca que asume su herencia teotihuacana y sin sorpresas aparece recurrentemente la formación de estos espacios bordeados por columnas y con espejos que quizá podríamos llamar versiones terrenales y domésticas del Tezcatlanextia espejo creador (figura 3). Tres grandes espacios alineados con las mismas dimensiones y donde aún más claramente que en Zacuala se notan las diferencias estructurales en cuanto a la profundidad de los basamentos. Claramente definidos los cuadros centrales de Tula son esos posibles espejos de agua que reflejarían el cosmos. Y son precisamente los Mexicas, habitantes de Tenochtitlan, quienes asumen su herencia tolteca, teotihuacana, y la construcción del edificio de las águilas (figura 4); habría de ser en definitiva la manifestación más patente en la arquitectura de esta relación. Hay evidencia arqueológica de que ciertamente estos espacios hundidos pudieron haber estado llenos de agua pues algunos están conectados a un drenaje subterráneo como en el caso de Templo Mayor y Teotihuacán por lo que seguramente reflejaban no Fig. 2. Izq. Reconstrucción de la Planta de Zacuala. Der. En los círculos se presentan las columnas que sostendrían los tragaluces donde se ubican los espejos de agua (abajo). Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 11 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. Fig. 3. Palacio Quemada en Tula la grande. solo las luces diurnas, sino también las luces del faldellín de estrellas, femineidad de Ometéotl. Más aún hay elementos que discernir, si estos espacios eran meramente fuentes de iluminación o tenían funciones más ceremoniales, como el baño ritual tal vez. COMENTARIOS FINALES Aunque no hay evidencia narrativa que cite o estudie la iluminación con espejos de agua, en refuerzo de esta hipótesis aquí planteada se puede recurrir a un ejercicio práctico en el mundo moderno que muestra que los espacios cerrados pueden ser iluminados por espejos de agua. El caso de la arquitectura de Luis Barragán, diseñador de la obra, nos permite comprender como se utiliza el balance de los espacios cerrados con los espejos de agua. “La casa Guilardi” (figura 5) es un ejemplo claro de como se utilizan los espacios de agua, los tragaluces en un universo que el mismo Fig. 4. Espejo de agua en la casa de las águilas con sus basamentos para columnas. 12 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. Barragán definiera como espiritual de diálogo entre silencios. Los Tlamatimine en tanto “dadores de luz”, tenían tanto la función de científicos modernos, descriptores de la realidad, pero en la medida de vivir en un mundo simbólico, reinterpretan la realidad, toman la misma observación de su propia humanidad y dotan de formas y relaciones humanizadas a esas fuerzas de la naturaleza. La lengua misma da cuenta de estas observaciones, dota de una riqueza extraordinaria a los conceptos relacionados con la luz desde el origen [tlani] lo que baja, hasta la construcción del tezcatlanextia (espejo creador). De igual forma que la lengua da cuenta en si misma de la observación empírica del universo, las construcciones dan cuenta de como se aplicaba la experiencia mítica en el diario vivir de las sociedades mesoamericanas. Aplicando estructuras arquitectónicas que reflejan por medio de espejos de agua, no solo la luz solar, o la luz nocturnal, sino que, constituyendose en aplicaciones simbólicas, dan cuenta del reflejo como elemento creador universal. Aun es necesario continuar la búsqueda de textos que permitan consolidar esta visión míticoarquitectónica, pero con lo que se ha descrito aquí queda evidente el interés de las culturas antiguas por la luz. Fig. 5. Fuente de la casa Guilardi Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 BIBLIOGRAFÍA Clavijero, Francisco Javier, Historia antigua de México, México, Editorial Porrúa, 1981. (Colección Sepan Cuantos, núm. 29). Durán, Fray Diego, Historia de las Indias de Nueva España e islas de tierra firme, 2 vols. y atlas, México, publicados por José F. Ramírez, 18671880. (Nueva edición preparada por Ángel M.ª Garibay, México, Editorial Porrúa, 1967-1968). Estudios de Cultura Náhuatl, México, UNAM, Instituto de Investigaciones Históricas, 18 vols., México, 1959-1985. Florescano, Enrique, (2009) “Nueva imagen del Estado teotihuacano” [en línea]. Revista de la Universidad de México. Nueva época. 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Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación en una fibra óptica Vidal Alfredo Trejo Rocha, Maripaz Moreno Díaz, Norma Patricia Puente Ramírez Posgrado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL vidal.trejorc@gmail.com RESUMEN Las fibras ópticas son utilizadas en las telecomunicaciones como un medio de transmisión de información, en los últimos años se han investigado nuevos métodos para aprovechar los modos electromagnéticos en fibras ópticas multimodo, como una opción para mejorar los sistemas de comunicaciones basados en fibra óptica. Con el fin de mejorar la compresión de los modos electromagnéticos, este trabajo expone los principios de propagación y distribución de modos transversales e híbridos en fibras ópticas con perfil de índice escalonado. Se presenta el proceso de solución directa de la ecuación característica de la fibra óptica. Por medio de un programa computacional realizado en MATLAB, se soluciona un caso particular en el cual es excitado al menos un modo transversal eléctrico (TE), transversal magnético (TM), e híbridos (EH) y (HE). En los resultados se presentan los perfiles de campo electromagnético de dichos modos y se discute sobre los parámetros que rigen las características de los perfiles de campo electromagnético. PALABRAS CLAVE Fibra Óptica perfil de índice escalonado, Análisis Modal, Ecuación Característica, Modos Híbridos. ABSTRACT Optical fibers are used in telecommunications as a medium to transmit information, recently have been studied new methods to exploit the electromagnetic modes in multimode optical fibers as an option to improve communication systems based on optical fiber. To achieve a better understanding of the electromagnetic modes, this work exposes principles of the propagation and distribution of transversal and hybrid modes propagating through step-index fibers. For that, it is presented the process of direct solution of the optical fiber characteristic equation. A MATLAB computer program gives solution to a particular case in which at least one of the transverseelectric (TE), transversal-magnetic (TM), and hybrid (HE) and (EH) modes are solved. In the results, we show the electromagnetic field profiles of these modes are presented and discussed the parameters witch impose the characteristics of the electromagnetic field. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 15 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. KEYWORDS Step-Index Optical Fiber, Modal Analysis, Characteristic Equation, Hybrid Modes. INTRODUCCIÓN Desde la aparición comercial en 1980 de la primera generación de sistemas de comunicación por luz guiada, la fibra óptica ha sido usada como un medio de transmisión de datos. A mediados de la misma década en la transición entre la primera y la segunda generación se optó por el uso de las fibras monomodo (SMF, Single-Mode Fiber) sobre las multimodo (MMF, Multi-Mode Fiber) con la motivación de superar la limitación en la velocidad de transmisión causada por dispersión modal presente en la fibra MMF.1 Posteriormente, cambios en la frecuencia de operación y en los métodos de detección permitieron mayores incrementos en la capacidad de información y en las distancias máximas permisibles sin repetidores para los enlaces ópticos. Actualmente, una nueva limitante impuesta por efectos no lineales presentes en la fibra óptica ha sido encontrada. 2,3 Para superar esta nueva restricción y en la búsqueda de satisfacer la siempre creciente demanda de velocidades transmisión han sido investigados métodos para el aprovechamiento de los modos electromagnéticos disponibles en las fibras MMF.4 Entre algunas de estas propuestas se encuentran técnicas de diversidad basadas en la redundancia de información en cada modo excitado5 y esquemas de acceso múltiple por división de modos (MMD, Mode Division Multiplexing),6,7 en el que a través de un grupo de modos se transmite distinta información agregando un nuevo grado de libertad en el diseño de sistemas de comunicación basados en fibras ópticas MMF. Además, las velocidades de fase asociadas a cada modo ofrecen la concepción de una gama de dispositivos intrínsecos a la fibra óptica como compensadores de dispersión sintonizables, controladores de polarización, entre otros.8 Estas investigaciones abren la posibilidad de emplear los modos electromagnéticos en fibras MMF como una opción para mejorar los sistemas de comunicaciones basados en fibra óptica y en el diseño de otros dispositivos ópticos. Es por esto que, con el fin de una mejor comprensión de los modos electromagnéticos, se presentan en este trabajo 16 principios básicos de la propagación y distribución de campo de los modos transversales e híbridos que son soportados en las fibras ópticas con perfil de índice escalonado. En este trabajo, se expone el proceso de solución directa de la ecuación característica de la fibra óptica. Posteriormente, por medio de un programa computacional realizado en MATLAB, se soluciona un caso particular en el cual es excitado al menos un modo transversal eléctrico (TE), transversal magnético (TM), e híbridos (HE) y (HE). Los resultados muestran los perfiles de campo electromagnético para estos modos en su componente en dirección de la propagación. Además, se destacan los parámetros que definen las características de los perfiles de campo electromagnético de los modos excitados, dichas características serán fáciles de apreciar en los gráficos obtenidos. También son expuestas aplicaciones recientes en fibras MMF y finalmente, se presentan las conclusiones. Propagación de luz en fibras ópticas con perfil de índice escalonado De manera más precisa, una fibra óptica es una guía de onda cilíndrica conformada por un núcleo de radio a con un índice de refracción n1, por donde la luz es guiada, y de un revestimiento de radio b con un índice de refracción n2 ligeramente menor al del núcleo. En la figura 1 a) se ilustra la estructura de la fibra óptica. Cuando existe un cambio abrupto del índice de refracción en la frontera entre el núcleo y el revestimiento r = a, se dice que la fibra es de perfil de índice escalonado, lo cual es presentado en la figura 1 b). Fig. 1. a) Estructura de fibra óptica, b) Perfil de índice de refracción de fibra óptica de índice escalonado Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. El mecanismo de la propagación de la luz en fibras ópticas, se presenta a continuación bajo la perspectiva de dos técnicas de estudio: 1) Trazo de rayos: Se basa en la aproximación de las ondas de luz como ondas planas cuyas rutas pueden ser trazadas en forma de rayos.9,10 Esta técnica analiza el mecanismo básico de propagación de la luz en la fibra óptica por medio de la ley de Snell. Para ilustrar dicha ley, en la figura 2 se muestra la sección transversal de una fibra óptica con perfil de índice escalonado. Un rayo incide en la cara de la fibra óptica con un ángulo αi y debido a la interacción del rayo en la interfaz fibra-aire, este es refractado con un ángulo αr al interior de la fibra óptica. Cuando el rayo refractado llega a la frontera entre el núcleo y el revestimiento se pueden presentar los siguientes fenómenos: de ondas electromagnéticas viajeras de configuración sencilla que mantienen un patrón de onda estacionaria a lo largo de la dirección de propagación.12 Los modos pueden clasificarse por su campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación E z y Hz. Se identifica como modo Transversal Eléctrico (TE) a aquellos modos que preservan la condición de que la componente del campo eléctrico en el eje de propagación es cero i.e. Ez=0, mientras en los que la componente del campo magnético es cero i.e. Hz=0 son conocidos como modos Transversal Magnético (TM). Por otro lado los modos en los que se presentan componentes axiales tanto de campo eléctrico como magnéticos i.e Ez≠0 y Hz≠0 son conocidos como modos híbridos.13 Se designa como modo híbrido EH en los que la contribución del campo eléctrico es mayor al del magnético e híbrido HE en caso contrario.14 Considerando la naturaleza de onda electromagnética de la luz, un estudio más detallado de sus mecanismos de propagación en la fibra óptica involucra el planteamiento de las ecuaciones de Maxwell. Fig. 2. Descripción del mecanismo de propagación de la luz en sección transversal de fibra óptica con perfil de índice escalonado por análisis de trazo de rayos. • Si el ángulo complementario de incidencia θ cumple con la condición: sen θ ≤ n2/n1, el rayo es refractado al revestimiento. • Los rayos que sean incididos con un ángulo θ en la frontera núcleo-revestimiento tal que sen θ ≥ n2/n1, presentarán reflexión total interna. Dichos rayos serán guiados en el núcleo de la fibra óptica.11 2) Análisis modal: Se basa en el tratamiento de la luz como una onda electromagnética sujeta a satisfacer las ecuaciones de Maxwell, libres de fuentes y condiciones de frontera impuestas por el medio de propagación.9,10 Mediante el análisis modal, la onda electromagnética que es guiada por la fibra óptica puede ser representada como una superposición de ondas llamadas modos o eigenfunciones. Los modos son soluciones válidas al planteamiento de las ecuaciones de Maxwell y a las condiciones de frontera. Consisten en un conjunto Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Fig. 3. Fibra óptica en sistema de coordenadas cilíndricas. Línea azul: Posición de un punto arbitrario P con coordenadas r0,0,z0. Línea naranja: dirección de los vectores unitarios en la interface NúcleoRevestimiento. Solución de la ecuaci ón de onda en coordenadas cilíndricas Una condición necesaria para que los campos E y H satisfagan las ecuaciones de Maxwell es que cada una de sus componentes satisfaga la ecuación de onda y equivalentemente a la ecuación de Helmholtz: (1) 17 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. Tomando en cuenta la geometría de la fibra óptica, se selecciona el sistema de coordenadas cilíndricas orientando el eje z a lo largo del eje de la fibra óptica, como se muestra en la figura 3. Entonces, la ecuación 1 se expresa con coordenadas (r, ϕ,z) en la siguiente ecuación (2) donde n es el índice de refracción del medio de propagación, k=2π/λ el número de onda y λ la longitud de onda del campo incidente. Debido a que la componente ẑ en la ecuación 2, contiene únicamente términos en Ez, se procede a solucionar la ecuación para esta componente. Un procedimiento similar se sigue con el campo H y sus componentes. Con las expresiones para Ez y Hz, los términos Er, Eϕ, Hr, Hϕ, pueden ser obtenidos utilizando las siguientes ecuaciones de Maxwell, las cuales se refieren a la ley de Faraday y Ley de Ampere-Maxwell asumiendo una dependencia temporal ejwt:15 (3) (4) Las soluciones de la ecuación 2 para la componente Ez y Hz son expuestas en la tabla I. Tabla I. Perfiles de campo E z, H z para núcleo y revestimiento en z = 0.15 Núcleo Revestimiento Jm(r) y Km(r) son las funciones de Bessel de primera clase y modificada de segunda clase del orden m respectivamente, A, B, C, D constantes por ser determinadas y m un número entero. También se tiene que: (5) (6) (7) donde β es la constante de fase y el parámetro V es conocido como frecuencia normalizada. Se debe recalcar la dependencia y periodicidad angular que define el índice m en los perfiles de campo de la tabla I. 18 Es de especial interés analizar la frontera entre las regiones de núcleo y revestimiento, para ello se designan los siguientes parámetros, donde a es el radio del núcleo de la fibra: P=pa, (8) Q=qa, (9) además se expone su dependencia con el parámetro de frecuencia normalizada en la siguiente expresión: V2=P2+Q2. (10) C o n d i c i o n e s d e f r o n t e ra y f u n c i ó n característica Las condiciones de frontera para la interface entre dos materiales dieléctricos distintos establece que las componentes tangenciales a la interface, es decir Ez, Eϕ, Hz, Hϕ, deben de ser continuas. Aplicando la condición de continuidad a las componentes en dirección a z de las expresiones en tabla I, se tiene que: (11) Al aplicar la misma condición a las componentes en ϕ resultan un conjunto de ecuaciones, para las cuales se obtienen soluciones no triviales para A, B, C y D únicamente si se satisface la siguiente ecuación: (12) La ecuación 12 es conocida como la ecuación característica de la fibra óptica de índice escalonado.15 Solo los pares de valores (P, Q) que satisfacen la ecuación característica cumplen simultáneamente con las ecuaciones de Maxwell y con las condiciones de frontera entre el núcleo y revestimiento, por lo tanto, dichos pares (P, Q) están asociados a un modo electromagnético. Después de una serie de simplificaciones a la ecuación 12, las soluciones pueden ser separadas en un conjunto de 4 ecuaciones características, mostradas en la tabla II, asociadas a los modos TE, TM, EH y EH. Las ecuaciones de los modos transversales resultan de la condición cuando m= 0 y las de los híbridos, de propiedades de recursividad de las derivadas de las funciones de Bessel y la suposición de que el factor β≈n1k, llamada condición de guiado débil.16 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. Tabla II. Ecuación característica para los modos Transversales [TM, TE] e híbridos [HE, EH]. TE0, n TM0, n Tabla III. Intervalos de solución de las ecuaciones características.15 Inicio de intervalo Q→0 El término a la izquierda de la igualdad de cada ecuación de la tabla II puede ser visto, para los modos transversales, como una función de 2 variables (P, Q) y para los modos híbridos, como una secuencia de funciones indexadas con m evaluadas también con el mismo par de variables. Visto de esta manera, la solución del modo son las coordenadas (P, Q) de los cruces por cero para dichas funciones. Intervalos de solución de la ecuación característica Un análisis de las ecuaciones características es realizado observando su comportamiento cuando Q=0 y Q=∞. El significado físico de que Q se aproxime a cero, es que la luz ya no es guiada en el núcleo y por lo tanto, el campo ya no decae a medida que se aleja del centro del núcleo. Esto se debe a los valores que toma la función de Bessel modificada de segunda clase y cómo este valor afecta a las ecuaciones de la tabla I. Por otro lado, cuando Q se aproxima a ∞ ya no se presenta propagación por el revestimiento, y se tiene que la mayor parte de la luz es guiada por el núcleo. En ambos casos se requiere que el parámetro P tome un valor de un conjunto de posibles valores para satisfacer la igualdad impuesta por las ecuaciones características. Tales valores para P definen un conjunto de intervalos disjuntos donde la solución de la ecuación característica existe. Lo valores P resultado de la condición en la que Q se aproxima a 0 son el inicio de los intervalos, mientras que los valores P cuando Q se aproxima a infinito definen el final de cada intervalo. En la tabla III se muestran los intervalos de solución para cada modo. Metodología Se examinó el caso en el que por lo menos un modo hibrido HEm,n y EHm,n es excitado. Para ello, se propuso una fibra óptica con un radio del núcleo Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Fin de intervalo Q→∞ TE0, n, TM0, n J0 (P)=0 J1 (P)=0 Tipo de modo HEm, n m=1, J0 (P)=0 incluyendo P=0 m≥2 Jm-2 (P)=0 Excepto P=0 Jm-1 (P)=0 EHm, n Jm (P)=0 Excepto P=0 Jm+1 (P)=0 a=9 µm e índices de refracción n1=1.45, n2=1.4442. Así mismo, se supuso una fuente emisora de luz con longitud de onda de operación de λ=1.5 µm. La selección fue realizada para producir una frecuencia normalizada de V=4.8843, cuya relación con los parámetros usados está dada por la ec. 5, y la cual excita los modos transversales: TE0,1, TM0,1 e híbridos: HE1,1, HE1,2, HE2,1, HE3,1, EH1,1. En la figura 4, se ilustra la cantidad y tipos de modos excitados para una frecuencia normalizada dada. Posteriormente, se obtuvieron los valores (P, Q) que cumplen con la ecuación 10 y que además son soluciones para cada una de las ecuaciones características de la tabla II. Se utilizaron los intervalos de solución mostrados en la tabla III para la búsqueda de las raíces de las ecuaciones características y con fin de evitar los valores en los cuales las mismas se indefinen. Las constantes A, B de las amplitudes modales de Ez y Hz en la región del núcleo son supuestas unitarias. Por otro lado, las amplitudes del revestimiento C, D son evaluadas con la ecuación 11 y con la información de la solución (P, Q) del modo analizado. Finalmente, a partir de las expresiones en la tabla I los perfiles de campo eléctrico y magnético son obtenidos. Fig. 4. Número de modos posibles en una fibra óptica de índice escalonado como función del parámetro de frecuencia normalizada V.15 19 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la figura 5 se presenta: 1) La evaluación del lado izquierdo de las ecuaciones características de la tabla II para los modos híbridos HEm=1,n y HEm=2,n en un rango de valores (P, Q), 2) la evaluación para un conjunto de valores que pertenecen a los círculos definidos por V=4.8843, la frecuencia normalizada de la fibra óptica propuesta, y un parámetro V=9 Fig. 5. Función característica para los modos a) HE1,n y b) HE2,n. Línea punteada: V=4.8843; Línea solida: V=9; y puntos: raíces de la función para V constante. de referencia y 3) las soluciones de las ecuaciones características para los modos y parámetros V ya mencionados. De las gráficas se observa primero que las soluciones se encuentran confinadas en intervalos en el eje P limitados por valores en los que la función es indefinida, reflejando los resultados de la tabla III. Estos valores corresponden con las raíces de la función Bessel Jm (r) en el denominador del primer término de las ecuaciones características de ambos modos. Así, la designación n del modo corresponde con la solución producida en el n-ésimo intervalo. 20 Luego, es evidente que un incremento en el parámetro V puede generar más soluciones y por tanto excitar más modos. Se observa también, que con el incremento del índice m las discontinuidades y las soluciones se desplazan a valores P mayores. Una consecuencia de esta última observación, es que siempre habrá una menor cantidad de soluciones para los modos híbridos con índices m mayores. Estos resultados pueden ser observados con la figura 4 y con los intervalos de inicio en la tabla III. Los perfiles de campo electromagnético en la dirección de propagación de todos los modos excitados en la fibra óptica propuesta para la longitud de onda seleccionada son ilustrados en la figura 6. Una característica común a todos los perfiles, es su decaimiento exponencial para valores de r mayores al radio del núcleo α. Esta caída debe ser lo suficientemente grande para considerar que no existe alguna interacción con el límite de la fibra óptica. Por otro lado, es visible que la amplitud máxima del perfil no es la misma para todos los modos. En un modo con índice m, este valor de amplitud corresponde al máximo de la función Bessel de primera clase Jm (r). Dado que los máximos de la función Jm (r) son decrecientes con el incremento de m, el máximo del perfil de campo también decae con el aumento del índice m. Los modos transversales, mostrados en la figura 6 a-b), son radialmente simétricos y no tienen dependencia angular. Los campos Ez del modo TE0,n Hz del modo TM0,1 no han sido incluidos dado que por definición son nulos. A diferencia de los modos híbridos en la figura 6 c-g), en los modos transversales gran parte de la intensidad de los campos está concentrada en el interior del núcleo. En los modos híbridos, figura 6 c - g), se observa que los campos eléctricos y magnéticos son similares y solo difieren por un giro de 90°. Los modos HE1,1 y HE1,2, presentados en las figuras 6 c-d) difieren solo por una oscilación con el incremento de la distancia radial que luego es amortiguada en la región del revestimiento. Los modos HE1,1, HE2,1 y HE3,1 se diferencian por el número de oscilaciones con el incremento angular, siendo m el número de oscilaciones completas. Estas observaciones resaltan la dependencia radial con el orden n y angular con m de los perfiles de campo de todos los modos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. Fig. 6. Perfiles de campo i) Ez y ii) Hz en z=0 para modos transversales: a) TM0,1, b) TE0,1. Híbridos: c) HE1,1, d) HE1,2, e) HE2,1, f) HE3,1 y g) EH1,1. Línea punteada: radio del núcleo a. Aplicaciones y perspectivas Gracias su distribución espacial de potencia, los modos de alto orden (m>0, n>0) han sido usados en aplicaciones con láseres de alta potencia de pulsos ultra cortos.17 Además se ha probado su alta estabilidad bajo influencia de las interacciones no lineales en la fibra óptica.18 Se ha demostrado la posibilidad de la realización del proceso de translación frecuencial por medio del mezclado no lineal de modos debido a no linealidades inducidas en la fibra óptica.19,20 Como fue mostrado en la derivación de la ecuación característica, la composición modal es producto de las condiciones de frontera. Esta dependencia hace al contenido modal sensible a perturbaciones en la geometría de la fibra óptica que pueden ser provocados por esfuerzos mecánicos. Bajo este principio han sido propuestos sensores de flexión y deformación,21,22,23 además de sensores biomédicos no invasivos para el monitoreo de la frecuencia cardiaca y respiratoria.24 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 CONCLUSIONES En el presente trabajo se discutieron los conceptos básicos para la comprensión de la propagación de ondas electromagnéticas en la fibra óptica de índice escalonado. Fue dada una introducción al concepto de modo electromagnético. Se realizó un programa computacional basado en el comportamiento de la ecuación característica de la fibra óptica para obtener sus modos excitados. Se demuestra la dependencia de la cantidad de modos soportados con el parámetro de frecuencia normalizada V y de manera particular se trabajó el caso de 7 modos excitados. En los perfiles de campo eléctrico y magnético se observó la dependencia radial impuesta por el índice n y angular del índice m. Donde m define el número de líneas rectas con amplitud cero atravesando el centro del perfil y las soluciones P para cada índice n, un factor de compresión radial.24 21 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. REFERENCIAS 1. G. P. Agrawal, Fiber Optic Communication Systems, 3 ed., New York: Wiley-Interscience, 2002. 2. D. J. Richardson, Filling the light pipe, Science. Applied Physics, vol. 330, no. 6002, pp. 327-328, 2010. 3. R. Essiambre et al, Capacity Limit of Optical Fiber Networks, Journal of Lightwave Technology, vol. 28, no. 4, 2010. 4. R. Ryf et al., 32-bit/s/Hz Spectral Efficiency WDM Transmission over 177-km Few-Mode Fiber, in Optical Fiber Communication Conference/ National Fiber Optic Engineers Conference 2013, OSA Technical Digest , (online), 2013. 5. H. R. Stuart, Dispersive Multiplexing in Multimode Optical Fiber, Science, vol. 289, no. 5477, pp. 281-283, 2000. 6. F. Bernd y H. Bülow, Mode Group Division Multiplexing in Graded-Index Multimode Fibers, Bell Labs Technical Journal, vol. 18, no. 3, p. 153–172, 2013. 7. G. S. Gordon, Feasibility Demonstration of a Mode-Division Multiplexed MIMO-Enabled Radio-Over-Fiber Distributed Antenna System, Journal of Lightwave Technology, vol. 32, no. 20, 2014. 8. S. Ramachandran, Dispersion-Tailored FewMode Fibers: A Versatile Platform for InFiber Photonic Devices, Journal of Lightwave Technology, vol. 23, no. 11, 2005. 9. A. W. Synder, J. D. Love, Optical Waveguide theory, London: Chapman & Hall, 1983, pp. 205-211. 10. L. Felsen, Modes and beams in optical fibre waveguides, Optical and Quantum Electronics, vol. 9, no. 3, pp. 189-195, 1977. 11. M. Born, E. Wolf, Principles of Optics, 7 ed., New York: Cambridge University Press, 1999. 12. G. 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Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca Aldemaro Gulfo MendozaA, Luis Fernando Serna HernándezB A B Universidad Piloto de Colombia–Bogotá, Universidad Viña del Mar-Chile g-magulfo@unipiloto.edu.co, luis-serna@upc.edu.co RESUMEN El presente artículo exhibe un análisis de la vulnerabilidad sísmica en la estructura de 36 instituciones educativas públicas del sector urbano del municipio de Girardot – Cundinamarca. La metodología para este análisis está basada en la propuesta de Cardona y Hurtado, y en el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10; permitiendo evaluar cualitativamente las estructuras. Para este análisis, se realizó una caracterización y una modelación numérica de las estructuras, logrando el cálculo de las solicitaciones sísmicas, los índices de sobreesfuerzo y flexibilidad, para establecer una estimación del nivel de vulnerabilidad de las estructuras. La tipología general de las estructuras (un piso) marcó la tendencia hacia una vulnerabilidad baja (66.83%). PALABRAS CLAVES Sismo, Vulnerabilidad, Rehabilitación, Sismo Resistencia, Esfuerzo, Flexibilidad. ABSTRACT This article shows an analysis of the seismic vulnerability in the structure of 36 public educational institutions in the urban sector of the municipality of Girardot - Cundinamarca. The methodology for this analysis is based on the proposal by Cardona and Hurtado, and the Colombian Earthquake Resistant Building Regulations NSR-10; allowing to evaluate the structures. To develop this analysis, a characterization and numerical modeling of the structures was performed, achieving the calculation of seismic, rates of ovestrain and flexibility to establish an estimate of the level of vulnerability of the structures. The general types of structures (single floor) result in a tendency of of low vulnerability (66.83%). KEYWORDS Earthquake, Vulnerability, Rehabilitation, earthquake resistance, Effort, Flexibility. INTRODUCCIÓN La amenaza sísmica en el territorio colombiano está claramente documentada y además soportada en el hecho completar un ciclo de tres versiones de normatividad sismo resistente. En esta normatividad, inspirada en la actual Constitución Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 23 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. Nacional, se propende por “la preservación de la vida honra y bienes” de los ciudadanos colombianos, específicamente ante la ocurrencia de un evento sísmico. Para esto en parte de su articulado se dan las indicaciones para los estudios de vulnerabilidad de estructuras existentes, con el fin de calificar su desempeño ante movimientos telúricos y determinar así la necesidad o no de su reforzamiento. El caso específico del presente estudio tiene como alcance el análisis de la infraestructura de instituciones educativas de nivel básico primaria y secundaria del sector público, pretende, en términos generales: 1. R e a l i z a r u n a e v a l u a c i ó n g e n e r a l d e l comportamiento sísmico de las estructuras destinadas a ofrecer servicios educativos en el municipio. 2. Proponer modelos analíticos-matemáticos del comportamiento sísmico de instalaciones representativas del conjunto de estructuras destinadas a ofrecer servicios educativos en el municipio. 3. Proponer una calificación general de la vulnerabilidad de edificaciones educativas del municipio. Como metodología de trabajo se procedió a la revisión de diferentes sistemas de medidas de vulnerabilidad, para luego aplicar la más adecuada a un escenario de diferentes tipologías de estructuras, como las que se encuentran en el municipio de Girardot. ESTUDIO DE VULNERABILIDAD SÍSMICA EN EDIFICACIONES La vulnerabilidad estructural por causa de un sismo se refiere a la susceptibilidad que la edificación presenta frente a posibles daños en aquellas partes del sistema estructural que lo mantienen en pie ante un sismo intenso. Las metodologías para su evaluación han sido especial objeto de recopilación en trabajos de pregrado llevados a cabo en universidades colombianas.1 La clasificación básica de estas metodologías las diferencia en analíticas y cualitativas. Los métodos analíticos tienen su funcionamiento en la interacción de un modelo numérico que representa la estructura estudiada con la carga de un sismo probable. Su aplicabilidad se presta para 24 discusión, dada la alta complejidad del modelo usado y la disponibilidad de datos confiables para su conformación.2 El referente legal para Colombia de este tipo de metodología se encuentra en el actual Reglamento Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes NSR 10. En el capítulo A.10 de la mencionada norma se consignan los pasos para la conformación de un modelo linealmente elástico de la estructura en estudio y la posterior evaluación de su capacidad de carga. Los datos resultantes permiten asignar a la estructura su nivel de vulnerabilidad. Otras metodologías de enfoque analítico tienen aplicabilidad para sistemas constructivos específicos, 3,4 otras se centran en la evaluación post sismo de los sistemas de refuerzo con miras a proyectar su rehabilitación.5 Los métodos cualitativos permiten hacer la evaluación de la estructura en forma rápida y sencilla, a través de observación en campo de sus condiciones. Por esta razón, permite obtener estimativos de vulnerabilidad de zonas urbanas. El referente nacional para estas metodologías es la propuesta de Cardona y Hurtado,6 la cual ha sido ampliamente aplicada en el país, especialmente en la implementación de planes de prevención y mitigación de desastre. METODOLÓGICA La revisión de metodologías muestra que tanto los métodos cuantitativos como los cualitativos hacen referencia a edificaciones individuales, no a conjuntos de edificaciones. Para hacer evaluaciones en conjunto es factible el análisis estadístico de los resultados de las evaluaciones individuales de las estructuras que conforman la muestra. Para el caso de análisis cuantitativos detallados la opción estadística se complica dado el esfuerzo que implica hacer un modelo matemático individual. Adicional a esto, cada institución puede contener más de una edificación, multiplicándose así el número de modelos a realizar. Los métodos cualitativos se adaptan mejor a la opción estadística, pero su nivel de confiabilidad puede presentar variaciones frente a casos individuales. Por lo anterior se adopta la siguiente metodología de evaluación para concretar el proyecto: Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. 1. Evaluación cualitativa de las estructuras objeto del proyecto, de manera global por centro educativo, según el procedimiento propuesto por Cardona y Hurtado: • Caracterización, mediante visita de campo, de las condiciones estructurales de las edificaciones objeto de estudio. • Ponderación de las condiciones estructurales de las edificaciones objeto de estudio, según metodologías cualitativas aceptadas. • Formulación cualitativa de un índice de vulnerabilidad del conjunto de edificaciones objeto de estudio. 2. Análisis detallado de la estructura de dos de las instalaciones educativas en estudio, según procedimiento propuesto en NSR 10: • Levantamiento en campo de características estructurales tales como: La geometría, secciones estructurales, tipo de materiales, etc. • Determinación de las solicitaciones sísmicas para estas estructuras, con su correspondiente modelación numérica. • Cálculo de índices de sobreesfuerzo y formulación de un índice de vulnerabilidad de las dos instalaciones analizadas en detalle. 3. Comparación de los resultados obtenidos para los dos análisis. ANÁLISIS DE CONTEXTO: GIRARDOT Y SU INFRAESTRUCTURA EDUCATIVA PÚBLICA Las instituciones educativas objeto de estudio se encuentran ubicadas dentro del perímetro urbano del municipio de Girardot, este municipio se sitúa al suroccidente de Cundinamarca en la Región del Fig. 1. Comunas de la ciudad de Girardot. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Alto Magdalena, estrecho entre la cordillera Oriental y Central, cuya máxima anchura no sobrepasa los 40 kilómetros. La gobernación de Cundinamarca (2011) cuenta con un inventario para Girardot, 36 establecimientos escolares oficiales que brindan educación básica primaria y secundaria, como se muestra en la figura 1 y en la tabla I. Tabla I. Distribución de la infraestructura educativa básica primaria y secundaria en Girardot. Comunas Escuelas % 1 6 16.67 3 9 25 178.11 25 255.37 2 4 5 TOTAL 5 13.89 7 19.44 36 100 9 Densidad poblacional (Hab/Ha) 179.83 113.07 159.23 - E VA L U A C I Ó N C U A L I TAT I VA D E L A ESTRUCTURA De acuerdo con lo expuesto en el capítulo de sismicidad regional del plan para la Mitigación de Riesgos en Girardot (Municipio de Girardot, 2011), la sismicidad de toda la región andina colombiana está determinada por la convergencia de las placas tectónicas de Nazca y Suramérica, entre las cuales se ha desarrollado una especie de microplaca en el área comprendida desde la zona de subducción frente a sus valles vertientes y mesetas hasta el piedemonte de sus tres cordilleras. Los esfuerzos producidos por la fricción entre estas placas constituyen las fuentes sísmicas para la ciudad estando dentro de las más importantes la zona de subducción, la zona de Wadati-Benioff y la de sismicidad intraplaca. La zona de subducción, con una traza superficial que abarca de 130 a 200 Km en dirección paralela al litoral occidental, es la más importante de las fuentes sísmicas en Colombia, en términos de las magnitudes máximas y recurrencias de sismos grandes, con magnitudes mayores de 8.0 y su sismicidad es superficial (hasta 40 Km de profundidad). La zona de Wadati-Benioff es la continua de la zona de subducción. Su sismicidad es la más profunda de la región (hasta más de 100 Km). 25 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. Se concentra en Cundinamarca, con magnitudes que pueden ser de 5.0. A la denominada sismicidad intraplaca pertenecen fallas como las del sistema romeral y cauca, que pueden causar los sismos más cercanos al municipio de Girardot. Los sismos de Popayán en 1983, Páez en 1994 y el Eje Cafetero en 1997, fueron generados por las fallas intraplaca. Este cuadro de fuentes de amenazas sísmicas se expresa, en la NRS-10, en términos de definir todo el occidente de Colombia, y en él, Girardot como zona de amenaza sísmica intermedia. Por otro lado, la misma norma promulga la elaboración de una microzonificación que en la ciudad aún está prorrogada. CALIFICACIÓN DE LA VULNERABILIDAD Con base en la revisión metodológica realizada, se adopta el procedimiento de asignar mayor o menor importancia, dentro de un índice de 100 puntos, a los siguientes aspectos, que inciden en la respuesta de la estructura ante sismos: el sistema estructural, la calidad de los suelos de la zona, la geométría de la edificación, el número de pisos y el tipo de cubierta. Los puntajes ponderados para cada aspecto se muestran en la tabla II. A partir de los resultados de esta ponderación se obtiene una calificación del estado de vulnerabilidad estudiada según la tabla III. Tabla II. Aspectos estructurales a ponderar en la evaluación cualitativa.6 PARÁMETROS TESIS Aspectos estructurales Suelos % DE INCIDENCIA 50 15 Aspectos geométricos 15 Seguridad y zonas de evacuación 1 Cubierta 2 Aspectos constructivos y grado de deterioro 10 Edad y número de pisos 2 Golpeteo 2 Entorno y ubicación Cambios de uso y ampliaciones TOTAL 26 1 2 100 Tabla III. Propuesta de calificación del nivel de vulnerabilidad sísmica de edificaciones.6 CALIFICACIÓN PUNTAJE Vulnerabilidad media 30<I<60 Vulnerabilidad alta Vulnerabilidad baja X<30 I>60 CARACTERIZACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS La fase de trabajo de campo contempló la visita a los 36 centros educativos. La evaluación visual permitió la calificación de los aspectos relevantes en el comportamiento sísmico de las estructuras. De estas instituciones, 26 cuentan con una estructura de una sola planta y el resto (10) son de dos plantas. Los sistemas estructurales consisten de muros confinados (28) y muros sin confinar (8). Los tipos de cubierta son: teja de asbesto-cemento (30) y teja de lámina (6). En cuanto a la forma, 28 son regulares y 8 son de forma irregular. Los problemas en las edificaciones asociados al tipo de suelo, comúnmente designados como estables e inestables. En este sentido se diagnosticó, con base a la ubicación de la institución en los mapas de amenazas geológicas y deslizamientos proporcionados por la Alcaldía de Girardot, que 16 de las estructuras se encuentran sobre suelos estable y 20 sobre suelo inestable. ESTIMACIÓN DEL GRADO DE VULNERABILIDAD La selección de los parámetros de este procedimiento simplificado se hizo bajo la ponderación de propuesta por Cardona y Hurtado.6 Al comparar con los aspectos recopilados en el trabajo de campo se encuentran aspectos que no se consideran en los casos evaluados, tales como: • El golpeteo sólo se presenta en estructuras adosadas, el cual no es el caso de las estructuras estudiadas, ya que todas se tratan de edificaciones aisladas. • Los cambios de uso y ampliaciones fueron difíciles de establecer, pero se trataba de estructuras independientes. • La seguridad y zonas de evacuación son aspectos que más bien hacen parte de la calificación de la vulnerabilidad funcional de la edificación y no de su vulnerabilidad estructural. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. • El entorno y ubicación no se consideran porque ya se estableció que las estructuras estudiadas son aisladas. Por lo anterior se modifican las ponderaciones propuestas en la metodología, como se relaciona en la tabla IV: Tabla IV. Ponderación modificada para la evaluación cualitativa del conjunto de estructuras evaluado. PARÁMETROS DE LA METODOLOGÍA Aspectos estructurales Suelos Aspectos geométricos Cubierta ASPECTOS A EVALUAR % DE EN LA VISITA DE CAMPO INCIDENCIA ASIGNADO Organización del sistema resistente. Resistencia convencional. Diafragma horizontal. 50 Configuración en planta. Configuración en elevación. Distancia máxima entre muros. 15 Posición del edificio y de la cimentación. 25 Tipo de cubierta. 5 Edad y número de pisos TOTAL 5 100 Se utiliza el porcentaje que favorece el buen comportamiento estructural, por ejemplo en el aspecto de configuración geométrica, la regularidad es lo que favorece el buen desempeño por lo que se toma como porcentaje positivo el 77.77% que corresponde a las estructuras regulares. En el aspecto de tipo de cubierta lo que favorece es su bajo peso, por tanto se toma como porcentaje positivo el 16% que corresponde a las estructuras con cubiertas livianas. El resultado arroja una calificación de vulnerabilidad intermedia para la infraestructura analizada, como se evidencia en la tabla V. Analizando el puntaje obtenido 66.83% con la tabla III, se puede determinar que el nivel de vulnerabilidad sísmica de edificación de las 36 instituciones es bajo. Para contrastar estos resultados, con la evaluación detallada de dos de las instituciones, seleccionadas por su antigüedad y por su cobertura estudiantil. En la zona sur del municipio se escogió la Institución Educativa Fundadores Ramón Bueno y José Triana y en la zona norte la Policarpa Salavarrieta. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Tabla V. Calificación de la vulnerabilidad del conjunto de estructuras estudiado. PARÁMETRO PUNTAJE % PUNTUACIÓN DE PONDERADO FAVORABLE EVALUACIÓN OBSERVADO Sistema Estructural 50 77.77 38.89 Suelos 25 44.44 11.11 Cubierta 5 16.70 0.835 TOTAL 100 Aspectos Geométricos Número De Pisos 15 6 77.77 72.22 11.66 4.33 66.83 ANÁLISIS CUANTITATIVO DE VULNERALIBILIDAD SÍSMICA Como punto de referencia para la comprobación de la resistencia sísmica de una estructura existente, se tienen las indicaciones dadas en el capítulo A.10 del actual Reglamento Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes NSR-10 “Edificaciones construidas antes de la vigencia de la versión del presente reglamento”. Especial aplicación tienen los aspectos relacionados con la evaluación de la vulnerabilidad de la edificación con objeto de calificar su comportamiento, más no los aspectos relacionados con temas como modificaciones en planta o en altura de las estructuras, reforzamiento estructural o actualización a la presente norma. Para el análisis cuantitativo de la vulnerabilidad sísmica de las edificaciones de las instituciones educativas seleccionadas, se aplicará el siguiente proceso: 1. Evaluación de vulnerabilidad sísmica según NSR-10. Para el cálculo de las solicitaciones sísmicas que deben usarse para la obtención de los índices de sobreesfuerzo y flexibilidad, la NSR-10 indica que debe seguirse los procesos mencionados en su capítulo A.3 “Requisitos generales de diseño sismo resistente” y A.4 “Método de la fuerza horizontal equivalente.” 2. Metodología usada en los análisis cuantitativos. Dado que las sedes de las instituciones seleccionadas para análisis detallados las integran varias estructuras, se hace necesario seleccionar 27 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. cuales de ellas se encuentran en un nivel de vulnerabilidad tal que ameriten su modelación numérica. Para esto se adoptó el siguiente proceso: a) Evaluación cualitativa de las diferentes estructuras que componen la instalación completa. b) Modelación numérica de la estructura con un nivel de vulnerabilidad preliminar alto o con gran margen de incertidumbre. c) Determinación de índices de sobresfuerzos y flexibilidad. d) Calificación de la vulnerabilidad de la estructura. Período corto de la estructura: Período largo de la estructura: T1 = 2.4 x Fv=4.800 s Período fundamental aproximado de la estructura: Tα = Ctxhα, con Ct=0,047 y α=0,9 (tabla A.4.21 NSR-10); h=6.00 m (2 niveles de 3.00 m) y Tα=0.236 s Para el valor calculado de Tα se lee en el espectro elástico de aceleraciones un valor, Sα=0.875 luego el valor del sismo de diseño es: VS = 0.875 x 18728.52 KN por lo tanto VS = 1638.75 KN. Como resultado de la modelación de la estructura se obtienen los desplazamientos de los centros de masas mostrados en la tabla VI: Las solicitaciones a nivel de esfuerzos se obtiene de las combinaciones de carga muerta y carga viva más carga de sismo simultáneamente, para la determinación del índice de sobresfuerzo se promedian los resultados obtenidos a nivel de entrepiso: Nivel de cubierta: esfuerzo promedio=47.81 KN/m2 (flexión) Nivel de entrepiso: esfuerzo promedio=55.63 KN/m2 (flexión) El esfuerzo resistente promedio de los elementos estructurales, está generado a partir de la fórmula de la escuadría, afectada por los índices de reducción indicados en la tabla a.10.4-1 de la NSR -10. Considerando las irregularidades de la edificación como un nivel regular de calidad y diseño de la construcción el índice de reducción se establece en 0.8. INSTITUCIÓN EDUCATIVA FUNDADORES Siguiendo los requisitos de diseño indicados en el Reglamento Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes NSR 10, en especial las contenidas en el Título A - Requisitos generales de diseño sismo resistente, el Título B – Cargas y el Título C – Concreto estructural, se tienen los siguientes datos: • Zona de amenaza sísmica: intermedia • Coeficiente que representa la aceleración pico efectiva, como % de la gravedad Aa = 0.20 • Coeficiente que representa la velocidad pico efectiva, como % de la gravedad Av = 0.20 • Perfil de suelo: D • Coeficiente de amplificación para períodos cortos: Fa = 1.4 • Coeficiente de amplificación para períodos largos:Fv = 2.0 • Grupo de uso: III • Coeficiente de importancia: I = 1.25 • Peso total de la estructura: 18728.52 KN Los parámetros de aceleración, velocidad y desplazamiento para el cálculo del sismo de diseño son: Tabla VI. Desplazamientos de centros de masa. I.E. FUNDADORES-Sede Principal. U1 U2 U3 75 0.144936 0.017698 -0.000341 -0.000065 0.001836 -0.008168 74 0.110337 0.015138 -0.000315 -0.000525 0.003953 -0.006980 75 74 28 m 0.017787 0.015168 m 0.157834 0.10792 m -0.001567 -0.001367 R1 Radianes -0.002870 -0.005204 R2 Radianes 0.000049 0.000476 R3 Radianes -0.009918 -0.008499 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. El índice de sobreesfuerzo se determina como el cociente entre las solicitaciones resultado de la modelación y el esfuerzo resistente real. Para el caso modelado: Esfuerzo resistente: 49.88KN/m2 (Fórmula de la escuadría) Índice de sobreesfuerzo: sismo de diseño y de deriva máxima, corresponden con los utilizados para el análisis de la Institución Educativa Fundadores Ramón Bueno y José Triana, teniéndose un valor Sα=0.875; luego el valor del sismo de diseño es VS = 0.875 x 9521.28 KN por lo tanto VS = 8383.12 KN Como resultado de la modelación de la estructura se obtienen los desplazamientos de los centros de masas mostrados en la tabla VII: Esfuerzo Resistente: 45.40 KN/m2 (Formula de la escuadría) Nivel de Cubierta Esfuerzo promedio=50.18 KN/m2 Nivel de Entrepiso Esfuerzo promedio=57,24 KN/m2 Índice de Sobreesfuerzo=57,24/ (0,8x45.40)=1.576 Vulnerabilidad de la Estructura:1/1,576=0.63 La estructura presenta 63% de la resistencia correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. Siguiendo los pasos para el cálculo del índice de flexibilidad se obtiene: Deriva Sentido X=0,05175 m Índice de Flexibilidad en Sentido X=1,725 Deriva Sentido Y=0.04762 Índice de Flexibilidad en Sentido Y=1.5875 Índice de Flexibilidad de la Estructura: 1.725 Vulnerabilidad de la Estructura: 171,725=0.579 Aquí, la estructura presenta un 57.9% de la rigidez correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. Los resultados de este análisis se resumen en la tabla VIII. Vulnerabilidad de la estructura: Esta información indica que la estructura presenta el 71.9% de la resistencia correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. El índice de flexibilidad se define como el cociente entre la deflexión o deriva obtenida del análisis de la estructura, y la permitida por el reglamento, para cada uno de los pisos de la edificación. El índice de flexibilidad en sentido de la estructura se define como el mayor valor de los índices de flexibilidad de piso de toda la estructura. Para el caso modelado: Deriva sentido X=0.144936 m-0.110337 m=0.034456 m Deriva máxima permitida =0.01Hpiso = 0.01 x 3.00 m = 0.03 m Índice de Flexibilidad en Sentido Deriva Sentido Y=0.157834-0.107920=0.04991 Índice de flexibilidad en sentido Índice de flexibilidad de la estructura = 1.6634 Vulnerabilidad de la Estructura Esta información indica que la estructura presenta un 60% de la rigidez correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. INSTITUCIÓN EDUCATIVA POLICARPA SALAVARRIETA El cálculo del peso total de la estructura arroja un valor de 9521.28 KN. Los parámetros de cálculo de Tabla VII. Desplazamientos de centros de masa. I.E. POLICARPA SALAVARRIETA - Sede Principal. U1 U2 U3 113 0.187621 0.012128 -0.012654 -0.026319 -0.002855 -0.000566 125 0.135873 0.050277 -0.008805 -0.015887 -0.001143 -0.001426 113 125 m 0.015736 0.016020 m 0.141926 0.094302 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 m -0.074249 -0.043545 R1 Radianes -0.034320 -0.018876 R2 Radianes 0.002573 0.000352 R3 Radianes 0.000930 -0.000033 29 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. Tabla VIII. Análisis General de la Vulnerabilidad Sísmica Estructural EVALUACIÓN CUALITATIVA DE LA INFRAESTRUCTURA Análisis de Vulnerabilidad 66.83% Según la tabla III, se puede determinar que el nivel de vulnerabilidad sísmica de edificación de las 36 escuelas determinadas para el estudio es bajo. ANÁLISIS CUANTITATIVO DE LA VULNERABILIDAD SÍSMICA I. E. FUNDADORES – Sede Principal RESISTENCIA La estructura presenta el 71.9% de la resistencia correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. RIGIDEZ La estructura presenta un 60% de la rigidez correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. I. E. POLICARPA SALAVARRIETA – Sede Principal RESISTENCIA La estructura presenta 63% de la resistencia correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. RIGIDEZ La estructura presenta un 57.9% de la rigidez correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. ANÁLISIS GENERAL DE LA VULNERABILIDAD SÍSMICA De acuerdo a la evaluación cualitativa de la infraestructura, es evidente que la vulnerabilidad sísmica de las 36 instituciones educativas utilizadas en este estudio es bajo, lo que indica que tiene poca susceptibilidad de daño estructural o colapso. Se espera un escenario de daños menores que llegarían a imposibilitar su uso en condiciones seguras. Es incuestionable que la resistencia estructural promedio de las instituciones educativas escogidas para el análisis detallado es de 67.45% los que indica que su comportamiento ante cargas verticales y uso normal, están dentro de los parámetros aceptables; con respectó a su comportamiento o desempeño frente a la fuerzas horizontales inducidas por el sismo (Según la norma actual), las rigidez promedio 58.95% indica una respuesta probablemente negativa de las estructuras. CONCLUSIONES Si bien desde el punto de vista cualitativo la estructura de las instituciones presenta una vulnerabilidad baja, estos resultados pueden estar generados porque en su totalidad se tratan de edificaciones de baja altura, sin masas de entrepiso que se aceleren, lo que lleva a otorgar calificaciones de buen comportamiento. La anterior calificación contrasta con la evaluación de las estructuras seleccionadas, la cual arrojó que muchas de ellas a pesar de ser de un solo nivel tienen grandes fallas, llegando a sugerir la inviabilidad de su rehabilitación. Una extrapolación de los resultados de la evaluación a todo el conjunto sugiere un nivel de vulnerabilidad diferente. Por lo anterior la evaluación cualitativa se le debe otorgar un margen de error y considerar su calificación con tendencia a un nivel intermedio de vulnerabilidad. Las modelaciones numéricas de las estructuras seleccionadas muestran correspondencia con el nivel de resistencia, en comparación con una estructura nueva en cuanto a resistencia por cargas verticales y se alejan de los requisitos de flexibilidad ante cargas horizontales (sismo), influenciadas tal vez 30 por los cambios en los requisitos de simoresistencia realizados en las distintas versiones de la normalidad. Por ejemplo la modelación del sismo de diseño varió drásticamente pasándose de modelar en promedio aceleraciones de 40% de la gravedad en la norma 84 hasta 87.5% de aceleración de la gravedad como es el caso de las estructuras modeladas. El valor de los índices de sobreesfuerzos y flexibilidad hace viable la opción de actualización de las estructuras a la norma NSR-10, ya que están cerca del límite de 1.5. En este sentido, este estudio resalta la necesidad de implementar un programa de rehabilitación de las estructuras de los centros educativos en este sector, con el fin de evitar un escenario de lesiones físicas humanas y/o inhabilitación de uso de las estructuras. De igual forma, prepondera la importancia de continuar realizando este tipo de investigaciones y/o estudios en los diferentes escenarios de los municipios aledaños, con el objetivo de generar alertas y planes de mejora para el bienestar de las diferentes comunidades que hacen uso de los mismos. REFERENCIAS 1. D. 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Los compuestos polipropileno (PP)-grafeno (RGO) fueron obtenidos utilizando polióxido de etileno (PEO) como compatibilizante. Los resultados de este estudio muestran que es posible obtener un incremento en el módulo elástico superior al 300% a temperatura ambiente, con respecto al polipropileno en estado puro, utilizando menos del 1%wt de grafeno (RGO) y polióxido de etileno (PEO) como compatibilizante. PALABRAS CLAVE Grafeno, polipropileno, propiedades elásticas, polímeros, compuestos. ABSTRACT In this study, the reinforcement effects of graphene (RGO) on the elastic properties of an isotactic polypropylene matrix (PP) were studied. Graphene (RGO) was obtained by graphite oxidation, ultrasonic exfoliation and chemical reduction. Polypropylene (PP) - graphene (RGO) composites were obtained by using Poly-ethylene oxide (PEO) as compatibilizer. It was found that the addition of less than 1%wt of graphene (RGO) lead to a significant increase in the elastic modulus, more than 300%, using Polyethylene Oxide (PEO) as compatibilizer, at room temperature. KEYWORDS Graphene, polypropylene, elastic properties, polymers, composites. INTRODUCCIÓN Los polímeros presentan una gran cantidad de propiedades excepcionales, tales como tenacidad, buena elongación, facilidad de procesamiento, bajo peso, y bajo costo. Sin embargo, para algunas aplicaciones y comparándolos con los materiales cerámicos y metálicos, la debilidad de los polímeros está asociada a su baja resistencia mecánica, entre otros aspectos. Lo anterior sugiere el desarrollo de actividades de investigación encaminadas a mejorar sus propiedades mecánicas. 32 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. Por otro lado, y para otro tipo de aplicaciones, podría ser ventajoso mejorar la conductividad eléctrica y térmica.2 Para cubrir las áreas de oportunidad mencionadas, muchos trabajos se han enfocado en la formulación de compuestos poliméricos basados en silicatos y materiales base carbono, tales como nanotubos, fibras de carbono y grafeno.3 Las excelentes propiedades que presenta el grafeno lo señalan como material con un gran potencial para mejorar las propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas, de los polímeros, además de su gran área superficial.4 El grafeno es un material compuesto por una o varias (<10) capas de átomos de carbono arreglados en forma hexagonal y empacados en una red bidimensional en forma de panal de abeja,1,7,15 es considerado el bloque de construcción básico de materiales tales como, fulerenos, nanotubos de carbono (NTC) y grafito.3 Actualmente, se han desarrollado diferentes métodos para la producción de grafeno en grandes cantidades, como la exfoliación directa del grafito,5 exfoliación y reducción química a partir de una solución de óxido de grafito5 o exfoliación y reducción térmica a partir de óxido de grafito seco.3 Todas ellas basan la producción de láminas de grafeno a partir de grafito o sus derivados. Otro aspecto a considerar en la producción de compuestos base grafeno es que las propiedades de éste dependen ampliamente de su método de síntesis. A la fecha, se sigue investigando sobre métodos de producción de láminas de grafeno libres de defectos perjudiciales y en cantidades necesarias para las aplicaciones finales.4 Lograr una dispersión homogénea de las láminas de grafeno en polímeros polares, tales como Polimetil-metacrilato (PMMA), Poli-acrilo-nitrilo (PAN) o Poli-óxido de etileno (PEO) es considerado como otra área de oportunidad; el mezclado en solución se ha revelado como una estrategia ideal cuando estos polímeros pueden ser disueltos en el mismo solvente polar que las láminas de grafeno o algún precursor del grafeno.7 En polímeros no polares como el polipropileno, material utilizado como matriz en este trabajo de investigación, lograr una dispersión homogénea de las láminas de grafeno continúa en proceso de investigación. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Este trabajo explora el efecto de la incorporación de bajas concentraciones de grafeno (menores al 1%wt) sobre las propiedades elásticas en una matriz de polipropileno, con la incorporación de un compatibilizante, (polióxido de etileno, PEO) entre las láminas de grafeno y la matriz de polipropileno. EXPERIMENTACIÓN Material utilizado La matriz polimérica seleccionada fue Polipropileno isotáctico de la compañía Basell (homopolímero, ρ=0.90 g/cm³ (23°C), Mw=82,700 g/mol). Para la obtención de las láminas de grafeno, se utilizó grafito en polvo, con un tamaño de partícula promedio de 20 μm, el cual se oxidó usando permanganato de potasio (KMnO4), nitrato de sodio (NaNO3), ácido sulfúrico (H2SO4) al 98%, peróxido de hidrógeno (H2O2) e hidróxido de sodio (NaOH). Posterior a la oxidación, se redujo el óxido para recuperar las láminas de grafeno, usando como agente reductor hidrosulfito de sodio (Na2S2O4). Para compatibilizar el refuerzo con la matriz polimérica se utilizó poli-óxido de etileno (PEO). Todos los materiales se usaron como se recibieron, proporcionados por Sigma Aldrich. Obtención del grafeno (RGO) El primer paso para obtener las láminas individuales de grafito, conocidas como grafeno, es oxidándolo, para lo cual se siguió el método de Hummer’s modificado.7,8 El óxido de grafito es un material hidrofílico, por lo cual, puede disolverse en agua, y de esta manera ser exfoliado en láminas individuales con relativa facilidad al someter la solución a ultrasonido. El óxido de grafito obtenido en este trabajo fue disuelto en agua destilada y sometido a ultrasonido, formándose una suspensión coloidal la cual, a su vez, fue centrifugado a 4000 rpm, a temperatura ambiente, para sedimentar aquellas láminas no exfoliadas de densidad mayor. La parte no sedimentada es lo que contiene las láminas exfoliadas de óxido de grafito denominadas óxido de grafeno. Este material fue secado al vacío durante 24 horas. El óxido de grafeno seco, fue sumergido en 33 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. una solución reductora de hidrosulfito de sodio y agua destilada, mezclado con hidróxido de sodio (NaOH). La reducción química del óxido de grafeno produce láminas conocidas como óxido de grafeno reducido (RGO) o grafeno. Fig. 1. Representación esquemática de la obtención de las láminas de grafeno (RGO). La figura 1 muestra una representación esquemática de la producción de las láminas de grafeno reducido (RGO). Síntesis de los compuestos Polipropileno Grafeno (PP-RGO) Debido a su gran área superficial, las láminas de RGO tienden a formar aglomerados al momento de ser incorporadas a la matriz polimérica. Para minimizar lo anterior, se usó polióxido de etileno (PEO), polímero soluble en agua, como auxiliar en la dispersión de las láminas de grafeno. Este método constituye el de mezcla en solución + mezcla por fusión. Aprovechando la solubilidad en agua del polióxido de etileno (PEO) y del óxido de grafeno (GO), se obtuvo una solución acuosa con los dos materiales, sometiéndola a agitación ultrasónica para mejorar la dispersión. El solvente fue removido en un horno de vacío, obteniéndose láminas de PEO-GO, las cuales fueron sometidas a reducción química en seguida usando hidrosulfito de sodio. El material reducido fue secado de nuevo para eliminar completamente el solvente. 34 El compuesto ya seco, de polióxido de etileno (PEO) + grafeno (RGO) fue pulverizado y adicionado a la matríz de polipropileno (PP) mediante el método de mezcla por fusión, utilizando un mezclador intensivo de doble husillo, marca C.W. Brabender. La cámara del mezclador fue calentada hasta llegar a 180°C, poniéndose a girar los rotadores a una velocidad de 100 rpm; después se introduce de forma gradual el polipropileno en estado puro; al llegar al estado estable, se alimenta el compuesto PEO-RGO previamente pulverizado continuándose el mezclado por 10 minutos. El proceso completo se realizó bajo una atmósfera de nitrógeno, para evitar la oxidación y la pérdida de las propiedades del compuesto final. En la tabla I se muestran los compuestos obtenidos. La figura 2 presenta esquemáticamente las etapas en el método de obtención utilizado. Tabla I. Compuestos producidos mediante el método de mezcla en solución + mezcla por fusión. Muestra ID PP(%wt) PEO (%wt) PP/2PEO/0.1RGO 97.9 2 PP/5PEO/0.1RGO 94.9 5 PP/2PEO/0.5RGO PP/5PEO/0.5RGO 97.5 94.5 2 5 Grafeno (%wt) 0.1 0.5 0.1 0.5 Fig. 2. Esquema del método de producción de los compuestos PP-PEO-RGO. Caracterización La caracterización del grafeno se llevó a cabo mediante difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión TEM. Se utilizó un difractómetro X’Pert Pro con fuente de radiación Cu Kα (λ = 0.15418 nm), a una velocidad de 0.5° min-1. Para el TEM se usó un equipo JEOL JEM-2100F operado con un voltaje de aceleración de 200kV. La muestra tomada fue una porción del grafeno obtenido en forma de película. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. Para los compuestos, se evaluó la parte de la viscosidad compleja relacionada con las propiedades elásticas aplicando una deformación oscilatoria en estado de flujo. Para estas pruebas se utilizó un reómetro de placas paralelas modelo SR-5000 Science Rheology, operando a una temperatura de 180°C y con un barrido de frecuencias desde 0.1 hasta 100 rad/s. Todas las pruebas fueron llevadas a cabo en una atmósfera inerte de nitrógeno. Para muestras sólidas, las propiedades elásticas se midieron usando análisis mecánico dinámico (DMA). El módulo elástico se analizó variando la temperatura desde 25°C hasta 180°C, la frecuencia permaneció constante a un valor de 0.5 Hz. Se utilizó un microscopio óptico para analizar la morfología y la dispersión del grafeno en la matriz de polipropileno en los compuestos fabricados por los dos diferentes métodos. también el difractograma obtenido para lo que hemos llamado láminas de grafeno, (b), en el cual no se muestra ningún pico de difracción. Lo anterior probablemente se pueda atribuir a la pérdida del orden periódico de acomodo de las láminas, presentado antes de la exfoliación. De la explicación anterior se puede inferir que la diferencia entre las dos curvas se debe a que el grafito fue exfoliado en grafeno mono- lámina o grafeno multi-lámina. Estos datos son concordantes con los resultados reportados en investigaciones previas.1-4 Microscopía electrónica de transmisión para el óxido de grafeno reducido (RGO) Las imágenes de TEM de la figura 4 corresponden al RGO obtenido. En ellas se puede observar una RESULTADOS Y DISCUSIÓN Difracción de rayos X para el óxido de grafeno reducido (RGO) La figura 3 muestra los resultados que se obtuvieron para (a) el grafito en estado puro y (b) para las láminas de RGO. Para el primer caso, se muestra un difractograma típico de la estructura cristalina de grafito en estado puro. La presencia de un intenso pico de difracción confirma que el grafito utilizado como punto de partida para la obtención de grafeno tiene una estructura de apilamiento altamente orientado. En la misma figura, podemos apreciar Fig. 3. Difractograma para (a) el grafito utilizado y (b) el grafeno obtenido RGO. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Fig. 4. (a) Imagen de TEM para el óxido de grafeno reducido (RGO). (b) Imagen de TEM para óxido de grafeno reducido a una resolución mayor. 35 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. morfología de lo que asemejan láminas de grafeno corrugadas, las cuales se han reportado previamente en la literatura, argumentándose que la corrugación es intrínseca de las láminas de grafeno.4,15 En la misma figura, además de observar lo que parecieran láminas apiladas (indicada con flecha), es posible notar regiones con diferente intensidad de grises, o bien, regiones de diferente densidad, lo cual es indicativo de una exfoliación con respecto a la estructura original del grafito, tal como lo indican los resultados de difracción de rayos X ya mencionados, donde fue posible asumir que el material obtenido corresponde a grafeno mono-lámina o grafeno multilámina.4,7-9,34 Microscopía óptica para los compuestos Las figura 5 y 6 muestran las imágenes de microscopía óptica para los compuestos obtenidos. En ambas figuras se observa la presencia de aglomeraciones, evidenciando una mala dispersión en la matriz de polipropileno. Fig. 6. Imágenes de microscopía óptica para los compuestos: (a) PP/5%wt PEO/ 0.1%wt RGO y (b) PP/5%wt PEO/0.5%wt RGO. Obtenidos mediante el método de mezcla en solución + mezcla por fusión. Fig. 5. Imágenes de microscopía óptica para los compuestos: (a) PP/2%wt PEO/0.1%wt RGO, (b) PP/2%wt PEO/0.5%wt RGO. Obtenidos mediante el método de mezcla en solución + mezcla por fusión. 36 Al encontrarse el polipropileno en estado de flujo, se produce gran movimiento de las cadenas poliméricas, lo que propicia la difusión del compuesto adicionado (PEO-RGO) a través del polipropileno, sin embargo un factor importante a tomar en cuenta para evitar la aglomeración de las láminas de grafeno es la velocidad de los husillos de la cámara de mezclado, aunque este efecto es diferente para cada polímero. Para romper con las aglomeraciones, Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. la velocidad debe aumentar conforme aumenta la concentración de reforzante, ya que entre mayor sea la cantidad de éste, mayor será la energía necesaria para poder romper dichas aglomeraciones. Esto ya se ha reportado para otros materiales reforzantes, entre ellos nanotubos de carbono, los cuales son considerados láminas de grafeno enrolladas.39 Dados los pobres resultados obtenidos en la dispersión del reforzante con el compatibilizante y las condiciones de mezclado utilizadas, se propone la búsqueda de vías alternas para mejorar la dispersión, tales como modificar el tipo de compatibilizante, la modificación de la velocidad de husillo y del tiempo de mezclado entre las más importantes. Reología de los compuestos en estado de flujo La comparación de la viscosidad de todos los compuestos obtenidos se muestra en la figura 7. En las imágenes se puede observar que la viscosidad se encuentra alrededor de los mismos valores del polipropileno puro, lo que aparentemente indica que en estado de flujo el PEO no está haciendo su función como compatibilizante. que la diferencia máxima en el módulo elástico entre el PP y el compuesto se obtiene a una temperatura de 30°C, siendo del orden de 490 MPa (173%). Para el compuesto PP/2%PEO/0.5%RGO, figura 8b, a la temperatura de 30°C, la diferencia es mayor, llegando a ser de 741 MPa (361%). El aumento en el módulo elástico en los compuestos, puede deberse a que las láminas de grafeno se “anclan” a las cadenas de PEO, las cuales interaccionan a su vez con el polipropileno a través de enlaces débiles tipo van der Waals o puentes de hidrogeno. Sin embargo este reforzamiento es menos obvio al aumentar la temperatura, debido al aumento en la movilidad de las cadenas de ambos polímeros. La temperatura en la cual el módulo elástico es prácticamente cero se mantiene alrededor de los mismos valores para el polipropileno puro y todos los compuestos, lo cual es una gran ventaja para aplicaciones en donde es necesario el reforzamiento Fig. 7. Viscosidad en función de la frecuencia para el PP y todos los compuestos obtenidos ya sea por el método de mezcla en fusión (PP/RGO) o por el método de mezcla en solución + mezcla por fusión (PP/PEO/RGO) a 180°C. Resultados de DMA en los compuestos obtenidos por mezcla en solución + mezcla por fusión. La figura 8 muestra el módulo elástico (E’) en función de la temperatura para los compuestos obtenidos. En la figura 8a, correspondiente al compuesto PP/2PEO/0.1%RGO, se puede apreciar Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Fig. 8. Módulo elástico en función de la temperatura para los compuestos obtenidos por mezcla en solución + mezcla por fusión y su comparación con PP en estado puro. (a) PP/2PEO/0.1%RGO, (b) PP/2%PEO/0.5%RGO, 37 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. mecánico a temperatura ambiente, pero con baja temperatura de procesamiento en el estado de flujo. En la figura 9a se observa el módulo elástico del compuesto PP/5%PEO/0.1%RGO; una diferencia máxima de 166 MPa (58%), con respecto al del polipropileno puro a una temperatura de 30°C. Para el compuesto PP/5%PEO/0.5%RGO, la figura 9b muestra un aumento de alrededor de 576 MPa (300%) respecto al PP puro a una temperatura de 30°C. La concentración de 5% PEO probablemente esté por encima de lo requerido para las cantidades de grafeno manejadas en este trabajo, de ahí que el compuesto con 2% PEO presente un ΔE’ mayor. A pesar de lo anterior, se presume que a mayor cantidad de grafeno, mayor cantidad de compatibilizante, debido a la posible saturación de las láminas de grafeno Fig. 10. Variación del módulo elástico (ΔE’) de los compuestos con respecto a la concentración de grafeno (%wt RGO) y la concentración de compatibilizante (%wt PEO); la matriz de PP puro corresponde al punto 0,0,0 usado como referencia. Fig. 9. Módulo elástico en función de la temperatura para los compuestos obtenidos por mezcla en solución + mezcla por fusión y su comparación con PP en estado puro. (a) PP/5%PEO/0.1%RGO y (b) PP/5%PEO/0.5%RGO. Resumiendo los últimos resultados, la figura 10 muestra la diferencia del módulo elástico (ΔE’), en función de la concentración de grafeno y la concentración de compatibilizante para todos los compuestos con respecto al polipropileno puro a 30°C. Se puede notar que, a concentración constante de polióxido de etileno, hay un aumento del módulo elástico al aumentar la concentración de grafeno. Las condiciones a las cuales se obtiene la mayor diferencia es con 0.5%wt grafeno y 2%wt PEO. 38 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES I. Para el polipropileno reforzado con láminas de grafeno en estado de flujo no se presentaron diferencias significativas en el comportamiento de la viscosidad, con respecto a la matriz en estado puro. II. El adicionar PEO a los compuestos PP/RGO, promueve un aumento en el módulo elástico a temperaturas debajo del estado de flujo. III. La cantidad agregada de 2%wt PEO con 0.5%wt de grafeno se reporta como la concentración más favorable para un valor máximo de E’, a una temperatura de 30°C. IV. Para las concentraciones de grafeno usadas en este proyecto, funciona mejor el adicionar concentraciones bajas de PEO (≈2%). V. La temperatura en la cual el módulo elástico presenta un valor de “0” es prácticamente la misma (T≈160°C), tanto para el polipropileno en estado puro como para los compuestos Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. polipropileno/PEO/grafeno. Esto pudiese resultar favorable en aplicaciones desde el punto de vista del procesamiento en grandes cantidades de los compuestos, debido a que no es necesario utilizar energía adicional que involucre aumento de costos para alcanzar el estado de flujo de los compuestos, y obteniendo reforzamiento mecánico a temperatura ambiente. VI. En general se puede concluir que conseguir una buena dispersión continúa siendo un desafío primordial para el reforzamiento efectivo de los polímeros, especialmente en especímenes no polares, tales como el Polipropileno (PP). Para la realización de investigaciones posteriores se considera conveniente el análisis del espesor y longitud de las láminas de grafeno obtenidas, así como también la obtención de imágenes de TEM a mayores magnificaciones, esto con el objetivo de conocer la calidad de láminas de grafeno que será utilizado en la síntesis de los compuestos. Se recomienda, en el método de mezcla por fusión, realizar pruebas para la búsqueda de condiciones óptimas de mezclado con el objetivo de mejorar la dispersión del grafeno en la matriz polimérica, tales como la modificación de la velocidad de husillo y del tiempo de mezclado. Es n e ce s ar i o a n al i z ar n ue v as ví as de compatibilización que pudiesen ser eficientes para mejorar la dispersión. Debido a las imágenes de microscopía óptica, las cuales revelaron la presencia de aglomeraciones. Sería conveniente realizar pruebas con óxido de grafeno, con la finalidad de evaluar el potencial de éste en las propiedades elásticas de la matriz de polipropileno. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Zhou T, Chen F, Liu K, Deng H, Zhang Q, Feng J, Fu Q, A simple and efficient method to prepare graphene by reduction of graphite oxide with sodium hydrosulfite, 2011, Nanotechnology 22, 45704. 2. Mahmoud W, Morphology and physical properties of poly(ethylene oxide) loaded graphene nanocomposites prepared by two different techniques, 2011, European Polymer Journal, 47, 1534-1540. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 3. Kim H, Abdala A, Macosko C, Graphene/ polymer nanocomposites 2010, Macromolecules, 43, 6515-6530. 4. Chen M, Oh W, Zhang K, Zhang F, 2010, Journal of K physical society, 4, 1098-1102. 5. Srinivas G, Zhu Y, Piner R, Skipper N, Ellerby M, Ruoff R, Synthesis of graphene-like nanosheets and their hydrogen adsorption capacity, 2009, Carbon, 48, 630-635. 6. 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Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales Rodrigo Puente OrnelasA, Leonardo Chávez GuerreroA, Gerardo Fajardo San MiguelB, Alejandro Trujillo ÁlvarezA, Herlinda María Delgadillo GuerraA Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME-CIDET Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Civil, ropuor@gmail.com A B RESUMEN Pastas fueron elaboradas reemplazando cemento portland ordinario por caliza de bagazo de agave, ceniza volante, nano-SiO2 geotérmica y humo de sílice. Las pastas fueron curadas a 20ºC y 100% de humedad hasta 28 días. Se les evaluó la resistencia a la compresión, resistencia a la penetración de iones cloruro, porosidad y microestructura. Tras la evaluación, los resultaron revelaron que las pastas reemplazadas mostraron una matriz más compacta y menos porosa, valores de resistencia a la compresión de hasta un 45% más, valores de paso de carga de hasta 57% menos, en comparación con las pastas de referencia. PALABRAS CLAVE Ion cloruro, cemento, caliza, nano- SiO2, microestructura. ABSTRACT Pastes were fabricated replacing ordinary portland cement by limestone agave bagasse, fly ash, geothermal nano-SiO2 and silica fume. The pastes were cured at 20°C and 100% humidity for 28 days. They evaluated the compressive strength, resistance to penetration of chloride ions, porosity and microstructure. After evaluation, the results showed that the pastes additioned exhibited a more compact and less porous matrix, values of compression strength of up to 45% more, load passage values of up to 57% less, compared to reference pastes. KEYWORDS Chloride ion, cement, limestone, nano-SiO2, microstructure. INTRODUCCIÓN Los problemas actuales causados por las altas emisiones de CO2, como el calentamiento global y el aumento de la generación de residuos industriales, han creado conciencia en la sociedad acerca de la preservación del medio ambiente. Por otra parte, la sostenibilidad de la industria del cemento se ha visto amenazada por el aumento del precio de los combustibles fósiles y los eco-impuestos para la liberación de CO2. Por lo anterior, la mitigación de las emisiones de CO2 mediante el uso de adiciones minerales como sustitutos parciales de cemento es hoy en día una práctica muy común,1-3 no sólo para preservar el medio ambiente, la energía y Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 41 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. los recursos naturales, sino también para mejorar la calidad, propiedades (física, química, mecánica), durabilidad y precio del concreto.4,5 Hay muchas investigaciones en las que se han utilizado adiciones minerales tales como puzolanas naturales, filler calizo, desechos industriales (escoria granulada de alto horno, ceniza volante, humo de sílice y cenizas de cascara de arroz), agregado grueso de concreto reciclado, para nombrar unos pocos.6-10 En varios casos, estas adiciones aumentan la resistencia mecánica; mejoran la uniformidad microestructural fomentando con ello la reducción en la permeabilidad y porosidad. A pesar de los numerosos informes relacionados con el uso de adiciones minerales en las últimas cinco décadas, los cuales proponen la viabilidad de sustituir un porcentaje determinado de cemento sin perjudicar las propiedades del concreto, existen muy pocos en los cuales se aborde sobre el uso de los residuos industriales generados por las plantas geotérmicas y la industria del mezcal o tequila. En el caso de los residuos generados por las plantas de energía geotérmica, estos pueden llegar a causar problemas importantes debido a su generación y acumulación. Varias estimaciones indican que más del 80% de las plantas existentes tienen estas dificultades.11 Sin embargo, en la actualidad la producción de electricidad a través de los recursos geotérmicos es cada vez mayor por las ventajas económicas y ecológicas en comparación con otras fuentes de generación de electricidad.12 Una de estas plantas se encuentra en Mexicali, Baja California, México, en la cual se estima una producción de hasta 70 mil toneladas por año13 de residuos (residuo llamado en este artículo como nano-SiO2 geotérmica, “NSG”), por lo que es importante encontrar una aplicación para este residuo. Este residuo es un material compuesto por nanopartículas de sílice amorfa (~ 20nm) en más de 90% en peso y una cantidad considerable de cloruros de sodio y potasio.14 Este material ha sido estudiado como material secundario en la producción de vidrio, cerámica refractaria,15 así como en la preparación de pastas, morteros y concretos.16-18 Por otra parte, el mezcal o tequila, que es una bebida alcohólica producida en México, requiere como materia prima para su fabricación, plantas de 42 agave, cuyo consumo ha aumentado año con año y es estimado actualmente en 1.000.000 de toneladas.19 Según Ibarra-Hernández y cols.,20 la composición global de la planta agave es: 60% humedad, 25% carbohidratos, 10% fibra, 2,5% minerales y 2,5% de otros componentes, tales como proteínas e inulinas, por lo tanto, durante el proceso de fabricación de mezcal o tequila se producen miles de toneladas de residuos que comúnmente son llamados “bagazo”, que tan solo la industria de producción del mezcal genera de 15 a 20 kg por litro.21 Si estos residuos no se reciclan o se procesan adecuadamente generan contaminación y suelen ser quemados o arrojados a los vertederos. Según diversos estudios, el bagazo es un candidato para su uso en la preparación de alimento para ganado, remedios para la salud, construcción, fertilizantes, combustible, sustratos para la aplicación de enzimas inulinosas de microorganismos como Aspergillus niger CH-A-2010 y CH-A-2016.22-27 Sin embargo, hay pocos estudios sobre la viabilidad de su uso en la industria de la construcción.28-29 Por esta razón, en la presente investigación se estudiaron los efectos de la sustitución parcial de cemento portland ordinario por caliza de bagazo de agave, ceniza volante y nano-SiO2 geotérmica, sobre la porosidad, resistencia mecánica, microestructura y resistencia a la penetración de iones cloruro en pastas elaboradas con estos materiales. EXPERIMENTACIÓN Materias primas El bagazo de agave se recogió directamente de la fábrica de mezcal IPIÑA SA de CV ubicada en San Luis Potosí, México. Se utilizó un horno Thermolyne 48000 para calentar el bagazo a 450 °C con el fin de obtener las cenizas, llamadas en este artículo como caliza de bagazo de agave (CBA) debido a su alta concentración de CaCO3. La ceniza se tamizó para obtener partículas menores a 75 micras y finalmente fue homogenizada. Por otro lado, la cenizas volante (CV) fue proporcionada por la planta Termoeléctrica José López Portillo (ubicado en Nava, Coahuila, México), la cual corresponde a ceniza de clase F, debido a su bajo contenido de CaO, de acuerdo a lo descrito por ASTM C618-08a.30 La ceniza fue tamizada para obtener partículas menores a 75 micras y finalmente fue homogenizada. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. Respecto a la nano-SiO2 geotérmica (NSG), esta fue proporcionada por la planta geotérmica Cerro Prieto (que se encuentra en Mexicali, Baja California, al norte de México). Este material fue lavado utilizando agua que se encontraba a 100°C, esto con la finalidad de disolver y eliminar la alta concentración de cloruros de sodio y potasio (~ 32,2%) contenidos en la nano-SiO2, de manera que se el NSG quede en una concentración de cloruros totales igual a 0% en peso. El % de cloruros totales (Cl-) fue determinado mediante la técnica de valoración volumétrica utilizando el método de Mohr.31 Después del lavado, la NSG se filtró y se secó durante 24 horas a 120°C en un horno eléctrico. Posteriormente, la NSG se tamizó para obtener partículas menores a 75 micras y finalmente fue homogenizada. El humo de sílice (HS) empleado en este trabajo corresponde a una micro-sílice densificada en polvo comercial, marca RHEOMAC SF100, la cual es comercializada por la compañía química BASF. Dicho material fue tamizado para obtener partículas menores a 75 micras y finalmente fue homogenizado. El cemento utilizado en este estudio fue proporcionado por CEMEX México y corresponde a la clasificación de tipo I CPO (Cemento Portland Ordinario, de acuerdo a la norma mexicana, NMXC-414-ONNCCE). 32 Todas las materias primas utilizadas en este estudio se caracterizaron por fluorescencia de rayos X y las composiciones químicas se muestran en la tabla I. Diseño de mezclas y producción de pastas Se elaboraron pastas cilíndricas de diferentes tipos de mezclas utilizando cemento portland ordinario (CPO), caliza de bagazo de agave (CBA), ceniza volante (CV) y nano-SiO2 geotérmica (NSG), humo de sílice (HS), agua destilada y superplastificante comercial (Glenium 3150, base policarboxilato en una proporción de 1.5% con respecto al peso del cemento). Las dimensión de las pastas cilíndricas fue de 25.4x50.5mm y se elaboraron usando una relación agua/materiales cementantes (a/c) de 0.45, así como la sustitución de CPO por 1.67, 2.5 y 5% en peso de CBA, CV, NSG y SF). Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Tabla I Análisis químico por FRX de las materias primas empleadas. Compuesto Composición química (% peso) CPO NSG CV CBA 0.845 15.79 61.165 1.4 95.89 0.82 0.45 Na2O 0.36 0.32 0.273 Al2O3 4.46 0.09 25.144 MgO 1.27 - SiO2 18.51 98.36 SO3 3.26 0.03 0.184 0.23 1.405 - 0.988 P2O5 Cl- 0.08 - - 0.06 CaO 67.45 0.45 Mn2O3 0.13 0.05 0.014 *P. I., % 0.79 0.31 3.016 Total 100 K2O TiO2 Fe2O3 **R. I., % 0.87 0.21 2.61 - 0.04 0.05 100 2.42 4.556 - 100 - : No aplica * P. I.: Pérdidas por ignición a 950ºC. **R. I.: Residuos insolubles. HS - 0.17 - 0.42 3.53 12.75 0.42 0.06 0.41 65.31 0.61 - 0.03 0.21 0.29 - 0.189 - 100 - 1.22 0.03 100 La dosificación de las materias primas utilizadas se muestra en la tabla II. Las pastas fueron fraguadas a 20ºC. Después de 24 horas, se fueron sumergidas en agua saturada con hidróxido de calcio, permaneciendo en ese ambiente de curado hasta 28 días a una temperatura de 20°C. Para obtener la mejor reproducibilidad de los experimentos, se utilizaron cuatro pastas por cada tipo de mezclas y por cada período de hidratación. Métodos de medición La resistencia a la compresión se evaluó a los 28 días utilizando una máquina de compresión de 200 toneladas, esto para cada una de las edades de curado. Después de las pruebas de resistencia a compresión, el centro de las pastas se extrajo y se trituró para obtener partículas de aproximadamente 5 mm de diámetro las cuales fueron sumergidas en recipientes que contenían acetona, y se sometieron a un proceso de secado empleando una temperatura de 50°C por 24 h, esto para detener las reacciones de hidratación. 43 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. Tabla II. Proporción de materiales en la elaboración de los diferentes tipos de mezclas (% en peso). CPO CBA 64.846 (95%) 3.413 (5%) R 68.259 (100%) M2 64.846 (95%) M1 M3 M4 M5 M6 Materiales cementantes suplementarios (Nivel de reemplazo de CPO en % en peso) 64.846 (95%) 64.846 (95%) 64.846 (95%) 64.846 (95%) 1.706 (2.5%) 1.137 (1.67%) CV 3.413 (5%) NSG 3.413 (5%) 1.706 (2.5%) 1.137 (1.67%) Para el análisis de pastas por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), las muestras representativas se impregnaron con resina epoxi, fueron devastadas y pulidas y finalmente recubiertas con grafito. Las imágenes de MEB se obtuvieron en el modo de electrones retrodispersados utilizando un voltaje de aceleración de 20 kV, las observaciones más relevantes se presentan en este trabajo. Además, se tomaron algunas secciones de las pastas para determinarles la porosidad siguiendo el procedimiento reportado en la ASTM C-642-97.33 La resistencia a la penetración de iones cloruro se evaluó en pastas cilíndricas curadas a 28 días empleando la técnica RCPT (rapid chloride penetration test) de acuerdo con el procedimiento estipulado por la norma ASTM C 1 202.34 Para eso, las pastas de las dimensiones 25.4x50.5mm fueron cubiertas con pintura epoxi en toda su superficie periférica y después de secarse por 24 horas, se introdujeron en una cámara de secado a una presión de vacío de 1 mm Hg durante tres horas; posteriormente, la cámara se llenó con agua destilada manteniendo la presión de vacío durante 1 hora; después, las pastas se mantuvieron en la inmersión de agua por 24 horas, esto sin presión de la cámara. Después del período de inmersión, las pastas se colocaron entre dos celdas conectadas a un potenciostato. Para ello, una de las celdas se llenó con solución acuosa preparada al 0.3 N de NaOH y la otra celda con una solución acuosa preparada al 3% de NaCl. Finalmente, las células fueron conectadas a una fuente de alimentación de voltaje, donde el electrodo 44 HS Agua SP Total 30.717 1.024 100 30.717 1.024 100 30.717 1.024 100 30.717 30.717 3.413 (5%) 1.137 (1.67%) 30.717 1.024 1.024 1.024 100 100 100 de la celda que contenía el NaCl funcionó como cátodo y el electrodo de la celda que contenía NaOH funcionó como ánodo. La prueba de RCPT se realizó en 3 pastas por cada diseño de mezcla utilizando un voltaje constante de 60,0 ± 0,1 V durante seis horas, obteniendo como resultado de la prueba de un valor de paso de carga total (Q en culombios). Los resultados observados en los valores de Q son el promedio de 3 ensayos y fueron clasificados de acuerdo con los criterios sugeridos por la norma ASTM C1202 (ver tabla III). Tabla III. Penetrabilidad del ion cloruro en base al paso de caga. Paso de carga (coulombs) Penetrabilidad del ion cloruro 2,000-4000 Moderada ›4,000 1,000-2,000 100-1,000 ‹100 Alta baja Muy baja Despreciable Después de la prueba de RCPT, las pastas se rompieron transversalmente y una de las secciones fue expuesta en su cara interna ante una solución acuosa preparada al 0.1 M con nitrato de plata (AgNO3, el cual funge como indicador de iones cloruro). Después de 5 minutos de exposición, la precipitación de cloruro de plata color blanco (AgCl) apareció sobre la superficie revelando la presencia de iones cloruro en el interior de las pastas. Posteriormente, la profundidad de penetración de iones cloruro fue evaluada. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La figura 1 muestra los resultados obtenidos de las pruebas de resistencia a la compresión realizadas en las pastas. De manera general, en dicha figura puede observarse que los diferentes tipos de mezclas presentaron un incremento en la resistencia a la compresión con respecto al incremento en el tiempo de curado, esto debido a la producción de gel CSH, principal promotor de la resistencia mecánica, el cual es producto de reacción del agua con las diferentes fases anhidras del cemento. Así mismo, los materiales suplementarios como el CV, HS y NSG también fomentaron un incremento en las propiedades mecánicas de las pastas que fueron adicionadas con éstos, ya que dichos materiales reaccionaron con el hidróxido de calcio (producto de hidratación generado tras la reacción del agua con las diferentes fases anhidras del cemento) produciendo gel CSH adicional, de manera que a los 28 días de curado, los valores de resistencia a la compresión de las pastas adicionadas superaron a los valores de las pastas elaboradas con 100% de CPO. A 28 días, las pastas adicionadas con NSG superaron a las pastas elaboradas con 100% de CPO (mezcla R) en un 27%, 54% y 75% más en resistencia a la compresión al reemplazar el CPO por NSG en un 1.67% (mezcla M6), 2.5% (mezcla M5) y 5% (mezcla M3) respectivamente. Estos resultados son atribuidos a la efectividad de la reacción puzolánica de la NSG con el hidróxido de calcio, de manera que al tener mayor NSG en la matriz cementante existe mayor posibilidad de que ésta produzca más gel CSH y consecuentemente la matriz se haga más compacta mejorando con ello los valores de resistencia a la compresión. En otras investigaciones, se ha observado una alta actividad puzolánica en nano-sílice geotérmica cuando esta ha sido utilizada como material de reemplazo de cemento.35,36 Además, es importante señalar que de acuerdo con estudios realizados por Quercia,37 quien a su vez refiere a Qing38 y lin39 las partículas de nano-sílice empleadas en la elaboración de morteros y concretos actúan como sitios de nucleación para la precipitación de gel CSH, logrando con ello un mejoramiento en los resultados de resistencia a la compresión, efecto también observado con el uso de la NSG. Por otro lado, puede observarse que la resistencia a la compresión de las pastas elaboradas con 5% de Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 CV (mezcla M2) va incrementando paulatinamente con respecto al tiempo, sin embargo, su resistencia a 28 días es 13.52% menor que la exhibida por las pastas R. Este fenómeno fue observado en otras investigaciones donde las pastas elaboradas con CPO fueron adicionadas con partículas finas y esféricas de CV mostrando un incremento en su resistencia mecánica a edades tardías, efecto que fue atribuido al empaquetamiento fomentado por las partículas pequeñas y esféricas de la ceniza volante fina de modo que su reacción se vio retardada a edades tempranas;40-43 además, otros autores manifestaron en sus investigaciones que el tamaño y la morfología esférica, la composición química y la fracción amorfa de la CV, modifican el desarrollo de las propiedades mecánicas, químicas y microestructurales de pastas, morteros y concretos.44 Bajo este esquema, tomando en consideración lo observado en dichas investigaciones, se esperaría que las pastas adicionadas con CV (mezcla M2) superen en resistencia a la compresión a las pastas R a edades tardías. Así mismo, en la figura 1 se aprecia que las pastas elaboradas con 5% de HS (mezcla M4) mostraron mayor resistencia a la compresión con respecto a las pastas R a la edad de 28 días, lo que representa un 8% más; ello se debe a que el HS es un material no cristalino que presenta alta área superficial, lo cual lo hace ser un excelente material puzolánico. Es sabido que este material durante las reacciones iniciales de del cemento, actúa como sitio de nucleación incrementado con ello la velocidad de reacción y precipitación de CSH adicional promoviendo el incremento en la resistencia a la compresión. Este comportamiento ha sido reportado en diversas investigaciones en las cuales concretos adicionados con el HS han exhibido valores superiores en la resistencia a la compresión con respecto a los concretos elaborados con 100% de CPO.45,46 Por otro lado, las pastas adicionadas con CBA mostraron un incremento en la resistencia a la compresión con respecto al tiempo y al igual que el resto de las pastas, también mostraron valores de resistencia mecánica mayores que las pastas R, tal es el caso de las pastas adicionadas al 5% con CBA (mezcla M1), las cuales superaron en resistencia a la compresión en un 16% más, respecto a las pastas de referencia R. Esto se debe a que el 45 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. Fig. 1. Resultados de resistencia a la compresión de pastas curadas a 7, 1 y 28 días. filler calizo ayuda en el proceso de aceleración de la hidratación del cemento, obteniendo efectos benéficos en la resistencia mecánica tal y como lo manifiesta Lothenbach y cols.47 y más tarde De Weerdt y cols.,48 además; Li y cols.49 observaron un incremento sustancial en la resistencia mecánica de concretos cuando adicionaban el 3% de nano caliza (nano-limestone) obteniendo 140 MPa de resistencia a la compresión comparada contra la exhibida en los concretos de referencia que fue de 125.6 MPa, lo que representa una ganancia en resistencia a la compresión del ~12%. Así mismo, Ramezanianpour y cols.,50 observaron que a la edad de 28 días, la resistencia mecánica de concretos adicionados con 5% de caliza (limestone) superaba a la exhibida en los concretos elaborados con 100% de CPO, este comportamiento se repetía a la edad de 90 y 180 días de curado. En la figura 2, son presentados los resultados obtenidos de las prueba de penetración rápida del ion cloruro, esto tomando en consideración los valores de paso de carga recomendados por la norma ASTM C1202. De manera general, en dicha figura puede observarse que todas las mezclas presentaron una resistencia a la penetración del ion Cl- considerada como “muy baja” de acuerdo parámetros estipulados por la norma ASTM C1202, ya que todos los valores de carga se encuentran en el rango de 100-1000 coulombs. Sin embargo, las mezclas exhibieron diferencias en sus valores de carga, tal es el caso de las pastas adicionadas con 5% de NSG (mezcla 3) que presentaron cargas del orden de los 309 Coulombs, siendo las que mayor resistencia al paso 46 del ion Cl- exhibieron. Este valor de carga representa una penetración de 8.52 mm de acuerdo a estudios post-mortem realizados en las pastas (ver tabla IV). Lo anterior indica que el uso de la NSG promueve en las pastas una fuerte capacidad para inhibir la penetración de los iones Cl-, esto haciendo una comparación con los valores de carga exhibidos en las pastas elaboradas con 100% de CPO los cuales fueron 720 Coulombs (14.32 mm de penetración del ion Cl-). De acuerdo a estos los valores de carga, las pastas adicionadas con NSG exhibieron un 57.08% menos de paso de carga respecto a las pastas elaboradas con 100% de CPO. Comportamiento similar fue observado en las mezclas M2 (5% CV, 610 Coulombs, 12.92 mm de penetración del ion Cl-), M4 (5% HS, 470 Coulombs, 11.72 mm de penetración del ion Cl-) y M5 (2.5% Fig. 2. Resistencia a la penetración del ion Cl- en pastas cuadas a 28 días. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. CBA y 2.5% NSG, 463 Coulombs, 10.77 mm de penetración del ion Cl-) ya que estas presentaron valores de carga un poco menores respecto a los obtenidos en las mezclas R (100% OPC), dichos valores representan un 15.27%, 34.72% y 35.69% menos de paso de carga respectivamente. Este mismo comportamiento se ha observado en otras investigaciones en las que se ha utilizado nanosílice como material suplementario en la elaboración de morteros, los cuales exhibieron un enorme decremento en la penetración del ion Clrespecto a los morteros de referencia.51,52 Así mismo, se ha reportado que la penetración del ion cloruro en los concretos usualmente disminuye con la adición de materiales suplementarios como la ceniza volante y el humo de sílice.53,54 Tabla IV. Resultados de porosidad total y penetración de cloruros en pastas curadas a 28 días. R M1 M2 M3 M4 M5 M6 Porosidad Total (%) Penetración de Cl- (mm) 17.17 14.58 13.76 8.52 16.98 16.33 14.32 12.92 14.66 11.72 18.27 18.31 14.33 10.77 Por otro lado, las mezclas M1 (5% CBA, 740 Coulombs, 14.58 de penetración del ion Cl-) y M6 (1.67 CBA &1.67CV&1.67 NSG, 971 Coulombs, 18.31 mm de penetración del ion Cl-) presentaron un ligero incremento en los valores de carga respecto a la mezcla de referencia, dicho incremento representa un 2% y 34% respectivamente. Algunos autores han reportado que la penetración del ion cloruro en concretos incrementaba con el contenido de caliza (10, 15% y 20% de limestone).55,56 La figura 3 muestra una comparativa respecto a la microestructura exhibida por cada una de las pastas a la edad de 28 días y que fue adquirida por mediante la técnica de Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) utilizando el detector de electrones retrodispersados y magnificaciones de 500X. En dicha figura los materiales de reemplazo de CPO son identificados de la siguiente manera: CBA Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 (flecha color rosa), FA (flecha color naranja), NSG (flecha color roja), SF (flecha color azul); además, el gel CSH en la modalidad de productos internos (IP, flecha color negro con amarillo) y productos externos (PE, flecha colorblanco con negro), granos de cemento en proceso de hidratación (U, flecha color negro) y la porosidad (P, flecha color café). De manera general, se puede observar que la pasta R (100% OPC) presenta gran cantidad de granos de cemento en proceso de hidratación (U), así como gran cantidad de poros (P), esto en comparación con el resto de las pastas. Similar comportamiento se aprecia en las mezclas M1 (5% CBA) y M6 (1.67 CBA &1.67FA&1.67 NSG), pese a que esta última fue adicionada con materiales puzolánicos como el FA y la NSG Estas pastas R, M1 y M6 exhibieron los valores más altos en porosidad, 16.98%, 17.17% y 17.65% respectivamente (ver tabla IV), valores que concuerdan con los resultados obtenidos de resistencia a la penetración de ion cloruro (paso de carga) y el estudio post-mortem de las pastas cuando estas se pusieron en interacción química con el nitrato de plata utilizado como indicador de penetración del ion cloruro. Este ligero incremento de porosidad obtenido en las pastas M1 respecto a las pastas R puede atribuirse a que las partículas de CBA poseen morfologías rectangulares fibrosas del orden de 20 y 40 µm las cuales presentan porosidad a su interior, así como poros a su alrededor (interface entre las partículas de CBA y los productos de hidratación), tal como se puede observar en las imágenes de la figura 3 donde CBA es señalada mediante flechas color rosa. Este fenómeno ha sido previamente reportado en otras investigaciones en la cuales, pastas fueron adicionadas con caliza y analizadas microestructuralmente a la edad de 7 y 28 días.57,58 Similar comportamiento se sugiere que fue propiciado en las pastas M6 ya que tienen como material de adición el CBA, sin embargo, el efecto de las reacciones puzolánicas provenientes de los otros materiales de adición (CV y la NSG) con el hidróxido de calcio no fue el esperado ya que estos contribuyeron a la poca formación de gel CSH adicional para densificar la matriz cementante, de manera que la disminución de la porosidad no fue favorecida como se esperaba. 47 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. Fig. 3. Comparación microestructural entre todas las pastas curadas a 28 días: CBA (flecha rosa), CV (flecha naranja), NSG (flecha roja) y HS (flecha azul); productos internos de gel CSH (IP, flecha negra con amarillo, productos externos de gel CSH (PE, flecha blanco con negro), cemento anhidro (U, flecha negra) y porosidad (P, flecha café). Por otro lado, las pastas adicionadas con NSG al 2.5% y 5% en peso, presentaron microestructuras más compactas debido a la fuerte reacción puzolánica entre la NSG y el hidróxido de calcio que fomento gran cantidad de gel CSH adicional contribuyendo a la disminución de la porosidad, tal y como lo reflejan los resultados en los que las pastas M3 y M5 presentan los valores más bajos de porosidad, 13.76% y 14.33% respectivamente (ver tabla IV). Este efecto de densificación en la microestructura de las pastas con el uso de nano-sílice ha sido reportado por Du y colaboradores.59,60 Finalmente, las pastas adicionadas con HS al 48 5% (M4) presentaron una microestructura no tan compacta como la que se esperaba, de manera que la porosidad que desarrollaron (14.66%) fue mayor a la presentada por las pastas adicionadas con NSG. Además, la microestructura reveló muchos aglomeramientos de partículas de HS que sobrepasaron las 50 µm, propiciando con ello el desarrollo de la reacción álcali sílice (RAS), fenómeno que contribuyó en los resultados obtenidos en las propiedades mecánicas, los cuales presentaron poca ganancia en los valores de resistencia la compresión con respecto los exhibidos en las pastas de referencia R, ya que existió poca reactividad en Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. el HS para la generación adicional de gel CSH. Este fenómeno de RAS ha sido ampliamente reportado por otros autores, el cual contribuye de manera muy negativa en las propiedades en general de los concretos.61,62 CONCLUSIONES Los resultados revelaron que la nano-SiO 2 geotérmica (NSG) y la caliza de bagazo de agave (CBA) podrían ser materiales potencialmente adecuados en la fabricación de pastas, morteros y concretos con aplicaciones industriales, lo que contribuiría positivamente a la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera, así como en la disminución del impacto ambiental generado en las zonas de eliminación. Esto debido a que ambos fomentaron en las pastas adicionadas con estos, un mejoramiento en las propiedades mecánicas y una menor porosidad, permeabilidad de iones cloruro y alta resistencia al paso de carga, en comparación con pastas elaboradas con 100% de CPO y así como las adicionadas con humo de sílice (HS ) y ceniza volante (CV). Los resultados de las propiedades mecánicas mostraron que es viable la sustitución de CPO por nano-SiO2 geotérmica (NSG) hasta un 5%, ya que la adición de este material superó el valor de la resistencia a la compresión en ~ 45% más, respecto al exhibido por las pastas elaboradas con 100% de CPO y en ~ 40% más respecto a las pastas adicionadas con HS al 5%. Así mismo, es viable la utilización de la caliza de bagazo de agave (CBA) hasta 5 %, ya que la adición de este material superó el valor de la resistencia a la compresión en ~ 15 % más respecto al exhibido por las pastas elaboradas con 100 % de CPO. Además, los sistemas ternario (CPO&CBA&NSG) y cuaternario (CPO&CBA&CV&NSG) exhibieron un 20% y 35% más de resistencia a la compresión respecto a las pastas hechas con 100% de CPO respectivamente. Los resultados de la RCPT indican que las pastas adicionadas con NSG tienen una estructura menos porosa con respecto a la exhibida en las pastas de referencia. En este sentido, la adición de NSG en 5% (mezcla M3 CPO&NSG) y en 2.5% (Mezcla M5 CPO&CBA&NSG) propició un menor paso de carga a través de las pastas en un 57% y 35%, Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 respectivamente, esto comparado con lo exhibido en las pastas de referencia. Comportamiento similar se presentó en pastas elaboradas con HS y CV cuyos valores en el paso de carga fueron de 35% y 15% menores a los presentados en las pastas elaboradas con 100% de CPO respectivamente. Sin embargo, este comportamiento no se observó en las pastas adicionadas con CBA ya que estas exhibieron en el paso de carga un 3% (Mezcla 1 OPC&ABA) y 25% (Mezcla M6 CPO&CBA&CV&NSG) más respecto a las pastas hechas con 100% de CPO. El análisis microestructural mostró que las pastas elaboradas con NSG exhibieron una mayor densificación debido a la fuerte reacción puzolánica del NSG con el hidróxido de calcio generando gel CSH adicional, logrando con ello una matriz densificada la cual exhibió menos porosidad en comparación con la presentada en las pastas elaboradas con 100 % de CPO. Similar comportamiento manifestaron las pastas adicionadas con HS y CV, sin embargo, la reacción puzolánica fue pobre en comparación con la generada por la NSG, por lo tanto, dichas pastas exhibieron pequeños incrementos en los valores de porosidad respecto a los presentados por las pastas adicionadas con NSG, pero estos valores fueron menores en comparación con las pastas elaboradas con 100 % de CPO. Este comportamiento no fue observado en las pastas adicionadas con CBA, debido a la porosidad desarrollada alrededor de las partículas de CBA, exhibiendo con ello microestructuras menos compactas y más porosas que los presentados en pastas de elaboradas con 100 % de CPO. REFERENCIAS 1. E. M. R. Fairbairn, B. B. Americano, G. C. Cordeiro, T. P. Paula, R. D. Toledo Filho, M. M. Silvoso, J. Environ. Manage, 91 (2010) 18641871. 2. C. A. Hendriks, E. Worrell, D. De Jager, K. Blok, P. Riemer, Greenhouse gas control technologies conference paper-cement, (2004)1-11. 3. M. Nehdi, J. Duquette, A. El Damatty, Cem. Concr. Res., 33 (2003) 1203-1210. 4. D. Anderson, A. Roy, R. K. Seals, F. K. Cartledge, H. Akhter, S. C. Jone, Cem. Concr. Res., 30 (2000) 437-445. 49 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. 5. V. M. Malhotra, Proceedings of a Symposium Honoring Prof Raymundo Riverá-Villarreal International Symposium on Durability of Concrete, Monterrey México, May (2005). 6. A. Cwirzen, V. Penttala, C. Vornanen, Cem. Concr. Res., 38 (2008) 1217-1226. 7. K. Sisomphon, L. Franke, Cem. Concr. Res., 37 (2007) 1647-1653. 8. R. Corral-Higuera, S. P. Arredondo-Rea, M. A. Neri-Flores, J. M. Gómez-Soberón, J. L. Almaral-Sánchez, J. H. Castorena-González, A. Martínez-Villafañe, F. Almeraya-Calderón, Int. J. Electrochem. Sci., 6 (2011) 958-970. 9. E. I. Moreno, R. G. Solís-Carcaño, J. VarelaRivera, J. C. Pacho-Monforte, R. A. Cua-Cuevas, Int. J. Electrochem. Sci., 10 (2015) 6444-6453. 10. M. J. Pellegrini-Cervantes, C. P. BarriosDurstewitz, R. E. Nuñez-Jaquez, S. P. ArredondoRea, F. J. Baldenebro-Lopez, M. RodríguezRodríguez, L. G. Ceballos-Mendivil, A. CastroBeltrán, G. Fajardo-San-Miguel, F. AlmerayaCalderon, A. Martinez-Villafañe, Int. J. Electrochem. Sci., 10 (2015) 332-346. 11. O. D. Whitescarver, J. T. Kwan, K. M. Chan, D. P. Hoyer, Patent: “Process for using sludge from geothermal brine to make concrete and concrete composition”, United States Patent 4900360, California, (1990). 12. A. Camenzuli, G. M. Mudd, 3rd International Conference on Sustainability Engineering & Science: Blueprints for Sustainable Infrastructure Auckland, New Zealand, December (2008). 13. Comisión Federal de Electricidad, http://www. cfe.gob.mx. 14. L. Y. Gómez, J. I. Escalante, G. Mendoza, Journal of Materials Science Letters, 39 (2004) 40214025. 15. J. Rincon, M. Romero, C. Díaz, V. Balek, Z. Malek, J. Therm. Anal. Calorim., 56 (1999) 12611269. 16. L. Y. Gómez, J. I. Escalante, 12th International Congress on the Chemistry of Cement, Canada, (2007). 17. R. Puente-Ornelas, L. Y. Gómez-Zamorano, M. C. Alonso, P. C. Zambrano, A. M. Guzmán, E. Rodríguez, B. Bermúdez-Reyes, M. Sánchez- 50 Moreno, Int. J. Electrochem. Sci., 7 (2012) 136149. 18.C. A. Iñiguez-Sanchez, L. Y. Gómez-Zamorano, M. C. Alonso, J. Mater. Sci., 47 (2012) 36393647. 19.C. G. Iñiguez, C. J. J. Bernal, M. W. Ramírez, N. J. Villalvazo, Advances in Chemical Engineering and Science, 4 (2014) 135-14. 20.E. B. Ibarra-Hernández, J. F. Botero Gonzalez, C. Cortez Amador, Ingenieria de tequila 1a Edición, Bogota, Colombia (2010) 12-37. 21.L. Chávez, Ingenierías, 8 (2010) 8-16. 22.B. E. Barragán-Huerta, Y. A. Téllez Díaz, A. Laguna Trinidad, Revista Sistemas Ambientales, 2 (2008) 44-50. 23.A. M. Sánchez-Riano, A. I. Gutiérrez -Morales, J. A. Muñoz-Hernández, C. A. Rivera-Barrero, Tombaga, 5 (2010) 61-91. 24.L. Chávez-Guerrero, M. Hinojosa, Fuel, 89 (2010) 4049–4052. 25.L. Chávez-Guerrero, J. Flores, B. I Kharissov, Chemosphere, 81 (2010) 633–638 26.E. Esparza-Ibarra, L. Romero-Bautista, F. CabralArellano, R. Bañuelos-Valenzuela, ReIbCi, 1 (2014) 103-110. 27.C. Huitron, R. Perez, A. E Sanchez, P. Lappe, L. Rocha Zavaleta, Journal of Environmental Biology, 29 (2008) 37-41. 28.R. Puente Ornelas, L. Chávez Guerrero, P. 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Escalante, Materiales de Construcción, 59, 296 (2009) 5-16. 51 �Eventos y reconocimientos INFORME DEL DIRECTOR El pasado 15 de abril, el director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, rindió su primer informe de actividades, correspondiente al período abril 2014 - marzo 2015. Entre los asistentes al informe estuvieron; Ing. María Elena Barrera Bustillos, directora del Consejo de Acreditación de la Enseñanza de la Ingeniería; Ing. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la Universidad Autónoma de Nuevo León y exdirector de la FIME; los también exdirectores de la FIME; Ing. Guadalupe E. Cedillo Garza; Ing. José Antonio González Treviño y el Ing. Esteban Báez Villarreal. El director de la FIME, Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, durante su mensaje con motivo de su primer informe de actividades académicas y administrativas. El director expuso los resultados de las estrategias que ha establecido durante su primer año de administración con énfasis en las de mayor relevancia, tales como el fortalecimiento de la planta y capacidad académica, la promoción de las actividades de formación integral del estudiante, la participación de profesores en proyectos de investigación, desarrollo tecnológico y de vinculación, entre otros. 52 Como parte final del evento, la Ing. María Elena Barrera Bustillos, le entregó al Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, un reconocimiento para la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica por el nivel que ha alcanzado entre las escuelas y facultades de ingeniería. DÍA DEL MAESTRO El pasado 13 de mayo, la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, realizó un festejo presidido por el Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, director de la FIME, en compañía del Ing. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL; la Ing. Sandra E. del Río Muñoz, Directora de la Preparatoria 16; el Dr. Félix Martínez Lazcano, Secretario General del STUANL; el Ing. Marco Antonio Méndez Cavazos, Miembro de la H. Junta de Gobierno de la UANL; los exdirectores: Ing. Guadalupe E. Cedillo Garza, Ing. José Antonio González Treviño, Ing. Esteban Báez Villarreal; y el Dr. Raúl Quintero Flores, Presidente del Consejo Consultivo de la FIME. En este evento, se distinguió a los maestros por su destacada labor en la docencia 15, 20, 25, 30, 40 y 45 años de servicio; así como la entrega del reconocimiento de Profesor de Catedra Honorífica para el Ing. Jesús Meléndez Oliva. Los maestros con 15 años de antigüedad son: M.C. Cynthia Ocañas Galván M.C. Francisco Guevara Guerrero M.C. Mónica Alejandra Cano Mireles M.C. Amelia González Cantú Dr. Ernesto Vázquez Martínez M.A. Mayra Patricia Cantú Tijerina Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Eventos y reconocimientos Maestros con 15 años de antigüedad con autoridades universitarias. M.C. Guadalupe Trujillo Sánchez M.A. Diana Garza Rocha Con 20 años: M.C. Juan Alberto Torres López M.C. Yesenia Elizabeth Palomo Sánchez M.C. Jorge Manuel Quiroga Mireles M.C. José Tarcilo Sánchez Ramos C.P. Roberto de Jesús Méndez Cáceres M.C. Arturo Báez Villarreal Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Dra. María Teresa Cedillo Salazar Dr. José Antonio de la O Serna Dra. Ada Margarita Álvarez Socarras M.C. Fernando Treviño Martínez Dra. Brenda Maribel Barrientos González Con 25 años: Dr. Ramón Cantú Cuellar M.C. Juan Rafael Cervantes Vega M.C. Jesús Renato Colunga de la Garza M.C Ricardo Alonso Flores Torres M.C. Antonio Rodríguez García Dr. Rafael Colás Ortiz M.C. Juan Bautista González M.C. Rigoberto Américo Garza López M.C. Blanca Xóchitl Valadez Maldonado M.C. Patricia Argelia Valdez Rodríguez Ing. Marco Antonio de la Rosa Tapia M.C. Arturo Páez Pérez M.C. Francisco Gerardo Treviño Barrera Con 30 años: M.C. Margarito Torres Silva M.E.C. Juan Manuel Villa Martínez M.C. Elsa Alicia González López M.C. José Antonio Moreno Barrios Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 M.A. José Ángel Gaitán Sandoval M.C. Francisco Javier Olvera Rodríguez Dra. Laura García Quiroga Ing. Sandra Puente Valdivia M.C. José Abelardo Araiza González M.C. Verónica Garza Medina M.C. José Luis Calvo González M.C. Cesar Sordia Salinas Dr. Arturo Torres Bugdud M.C. Ofelia Irma Garza Cavazos Con 35 años: MCP. Hermilo Valdez Pérez M.C. Álvaro García Garza Ing. Antonio González Martínez M.C. José Ángel Mendoza Salas M.C. Adolfo Escamilla López Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar M.C. Salvador Mondragón Mata Con 40 años: M.C. Ma. Del Carmen Edith Morín Coronado M.C. Humberto Figueroa Martínez M.C. Héctor López Pardo M.C. Jaime César Vallejo Salinas M.C. Miguel Luis Castillo Marco M.C. Cesar Augusto Leal Chapa M.C. Guadalupe Ignacio Cantú Garza Con 45 años: M.C. Rafael Escobar Córdova M.C. Benito Sergio Garza Espinosa M.C. Félix González Estrada M.C. María Magdalena Ramos Granados Dr. José Luis Cavazos García M.C. Roberto Alberto Mireles Palomares M.C. Margarito Segura Obregón M.C. José Antonio Aranda Maltes RECONOCIMIENTO PARA MAESTROS El pasado 13 de mayo, la Universidad Autónoma de Nuevo León galardonó a un grupo de 15 maestros de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, entre 64 de la universidad, por 40, 45, 50 y 55 años de servicio. La ceremonia en las que se les entregó la “Flama Universitaria” estuvo encabezada por el Ing. Rogelio Garza Rivera, Secretario General de la UANL. 53 �Eventos y reconocimientos Maestros de la FIME galardonados por 40 años de servicio: MC. Guadalupe Ignacio Cantú Garza MC. Miguel Luis Castillo Marco MC. Humberto Figueroa Martínez MC. César Augusto Leal Chapa MC. Héctor López Pardo MC. Ma. del Carmen E. Morín Coronado MC. Jaime César Vallejo Salinas Por 45 Años MC. Juan Antonio Aranda Maltez Dr. José Luis Cavazos García MA. Rafael Escobar Córdova MC. Benito Sergio Garza Espinosa MC. Félix González Estrada MC. Roberto A. Mireles Palomares MC. Ma. Magdalena Ramos Granados MC. Margarito Segura Obregón Autónoma de Nuevo León premió a 77 trabajos en las categorías de Patente, Modelo de Utilidad y Diseño Industrial, con lo que la UANL se colocó como la primera universidad a nivel nacional en registros de propiedad industrial. Maestros de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica obtuvieron los premios que a continuación se enlistan junto con sus autores. Dr. Luis Alonso Trujillo Guajardo y Dr. Arturo Conde Enríquez Dra. Raquel Mendoza Reséndez Maestros de la FIME galardonados por 40 y 45 años de servicio. Dr. Javier Morales Castillo y Dr. Leonardo Chávez Guerrero con su reconocimiento de invención. Dr. Marco Antonio Garza Navarro, Dr. Alejandro Torres Castro, Dr. Virgilio Ángel González González y MC. Nubia Esther Torres Martínez. PREMIO UANL A LA INVENCIÓN Con motivo del Primer Premio UANL a la invención, el pasado 19 de mayo, la Universidad 54 Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Eventos y reconocimientos Dr. Marco Antonio Garza Navarro, Dr. Alejandro Torres Castro y Dr. Virgilio Ángel González González MC. Manuel Alejandro González Ábrego, MC. Karen Adriana Bustos Torres y Dr. Virgilio Ángel González González Ing. Arturo Paz Pérez, Dr. Martín Castillo Morales y Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo MC. Jorge Raymundo Loredo Murphy MC. Manuel Alejandro González Ábrego MC. Karen Adriana Bustos Torres y Dr. Virgilio Ángel González González Dr. Javier Morales Castillo y Dr. Moisés Hinojosa Rivera Jesús Alejandro Salinas Montelongo y Dr. Leonardo Chávez Guerrero MC. Manuel Alejandro González Ábrego, LQI. Fernando Antonio Blanco Flores, MC. Karen Adriana Bustos Torres y Dr. Virgilio Ángel González González Dra. Selene Sepúlveda Guzmán y Dr. Leonardo Chávez Guerrero Ing. Cristian Alejandro López Flores MC. Manuel Alejandro González Ábrego, MC. Karen Adriana Bustos Torres y Dr. Virgilio Ángel González González Dr. Virgilio Ángel González González, Dr. Antonio Francisco García Loera y Dr. Reynaldo Esquivel González MC. Manuel Alejandro González Ábrego y Dr. Virgilio Ángel González González Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 55 �Eventos y reconocimientos Dr. Francisco Vieira (Brasil) Dr. Won-Ho Kim (República de Corea) Ing. René Girard (en representación del Dr. Jean Salencon, Francia) Dr. Héctor Altuve (en representación del Edward Schwitzher, EUA) Dr. Mario Laforest (Canadá) Dr. John Duncan (EUA) Dr. Alexander Au ( Alemania) Dr. Juan Miguel Sánchez (EUA) Lauritz Holm Nielsen (Dinamarca) Miembros del consejo consultivo internacional UANL. CONSEJO CONSULTIVO INTERNACIONAL En la reunión ordinaria celebrada el 25 de mayo, el Rector Jesús Ancer Rodríguez fue testigo del cambio directivo para otorgar la presidencia al Dr. Luis Riveros Cornejo, académico con renombre internacional, ex Rector de la Universidad de Chile. En la nueva mesa directiva se encuentra la Dra. Elena María Rodríguez Falcón, egresada de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, quien es directora del Learning and Teaching, de la Universidad de Sheffield, ocupa ahora la Vicepresidencia de esta instancia colegiada. Consejeros del CCI-UANL: Dr. Luis Riveros Cornejo, Presidente (Chile) D ra . E l e n a M a r í a R o d r í g u e z F a l c ó n , Vicepresidenta (Inglaterra) Dr. Tom Fox (EUA) Dr. Alejandro Tiana Ferrer (España) Dr. Luis Cabero (España) 56 El MI Dante Ferreira Méndez, profesor de la FIME, observando un panel. “EDUCATORS DAYS” NI El pasado 28 de mayo de 2015, se llevó a cabo en la Universidad Autónoma de Nuevo León el evento Educator Days, el cual reune a los académicos para discutir las últimas tendencias pedagógicas. En este evento que se celebra por primera vez en la UANL en este año, la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y National Instruments recibieron a 130 educadores de la comunidad académica de diferentes ramas de ingeniería de México para compartir sus retos y mejorar prácticas de técnicas de enseñanza. El evento consistió en sesiones técnicas impartidas por ingenieros de NI, talleres prácticos, demostraciones de equipo, así como visitas a los laboratorios de ingeniería de la FIME. Durante el evento, los asistentes tuvieron acceso a sesiones de circuitos y electrónica, control y mecatrónica, instrumentación, telecomunicaciones y RF, prácticas con las herramientas para la enseñanza de adquisición de datos y control, robótica y aplicaciones integradas. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Abril - Junio 2015 Angélica Aguirre González, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “Zonas francas como vía para la distribución de productos a centroamérica (sin establecimiento permanente)”, 15 de abril. Brenda Jeannette Zamarripa Lucio, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “Selección de proveedores para la apertura y operación de un nuevo centro de distribución”, 17 de abril. Daniel Martínez López, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Dream League Soccer”, 17 de abril. Maite Georgina Espinoza Treviño, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global. Proyecto: “Análisis de oportunidades comerciales en el extranjero para PYME recicladora”, 20 de abril. Valentín Celestino de la Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Determinar intervalos de calibración”, 23 de abril. Luis Miguel Contreras Monrreal, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: “Análisis de correlación entre un modelo multicuerpo y pruebas de laboratorio de una camioneta de carga ligera”, 27 de abril. Melissa Ivett Villanueva Acevedo, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: “Transferencia de productos Interplanta”, 8 de mayo. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 Hiliariona Martínez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura con orientación en Automatización. Tesis: “Módulo didáctico para practicas de laboratorio con controladores lógicos programables”, 21 de mayo. Selene Guadalupe Pinal Gómez, Maestría en Ingeniería con orientación en Informática. Proyecto: “Contribución a la dimensión formativa con énfasis en las competencias del estudiante de ingeniería a través de la asignatura de servicio social”, 21 de mayo. Magali Yasmin Villegas Rodríguez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “La importancia de la cadena de frío en alimentos perecederos como alternativa para desarrollar ventajas competitivas en las empresas de Nuevo León”, 22 de mayo. A l e ja n d ro Ta p i a R o s a ri o , M ae s t r í a e n Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Cálidad. Proyecto: “Reducción de costos en sello mecánico de motores de bombeo en agua”, 22 de mayo. Javier Treviño Guerrero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: “Mejora continua sin caja”, 27 de mayo. Emanuel Rodríguez Campos, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica (por materias), 2 de junio. Lyn May Paramo Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (por materias), 8 de junio. Ricardo Delgado Banda, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable. Tesis: “Diseño y construcción de un dispositivo para evaluar la efectividad del proceso de lavado de muestras textiles”, 8 de junio. 57 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL René Gerardo Mondragón González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable. Tesis: “Desarrollo de un sistema de refrigeración doméstica compacto de bajo consumo energético”, 8 de junio. Armando Tamez Lugo, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica (por materias), 9 de junio. José de Jesús Alday Macías, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior. Proyecto: “Exportación de café Mexicano a España”, 10 de junio. Carlos Rafael Uder Contreras, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable. Tesis: “Desarrollo de una metodología computacional para el análisis de fenómenos físicos acoplados en la operación de transformadores eléctricos”, 10 de junio. Rosario de Jesús Rodríguez Altaif, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable. Proyecto: “Estudio numérico experimental del distribuidor hidráulico de un colector solar de tubo al vacío tipo heat-pipe”, 10 de junio. Luis Alberto Martínez Arredondo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: “Incrementar la productividad de un proceso de fabricación al implementar un sistema de KANBAN en los materiales del proceso de fabricación anterior”, 12 de junio. Eulalia Margarita Garza Rubio, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad (por materias), 12 de junio. Reginaldo Barrientos González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Calentamiento global”, 12 de junio. Lucía Leticia Romero Arévalo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación 58 en Logística Global. Proyecto: “Caracterización existente entre el manejo de los tránsitos internos del comercio exterior para México y Estados Unidos”, 15 de junio. Luis Carlos Luna López, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: “Localización de parada y diseño óptimo de rutas para transporte de personal”, 17 de junio. Brenda Lizzeth Salazar Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Estrategias para la gestión del capital humano a través del perfil de puestos, evaluación del desempeño y el programa de capacitación por competencias en la FIME”, 18 de junio. Joel Alejandro Samaniego Castañeda, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: “Rediseño aplicado al proceso de esmaltado de soleras”, 19 de junio. Tania Nicte Mata Mata, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: “Estudio y diseño de un sistema de iluminación de día para interiores”, 19 de junio. María Guadalupe Lugo Martínez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: “Diseño de sensores con meta materiales”, 19 de junio. Sergio Antonio Ordoñez González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (por materias), 23 de junio. Luis Antonio Trujillo Guajardo, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: “Método Newton-Raphson”, 26 de junio. Cristóbal Adolfo Garza Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (por materias), 29 de junio. Jorge Ángel González Berlanga, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, (por materias), 29 de junio. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Acuse de recibo Avion Revue Forum: Noticias del Foro Consultivo Avion Revue es una publicación mensual que describe las novedades y noticias destacadas del mundo de la aviación internacional. La versión de julio de 2015 para América Latina (número 185), presenta un recuento de la primera década del Airbus A380 y el avance de la tecnología desde su primer vuelo en Toulouse el 27 de abril de 2005 y la expectativa del A380neo. Como dato interesante de cobertura, en este número se muestra una publicación judicial en donde una compañia condena a otra por infracción de patente. Con respecto a México hay un reportaje sobre la Feria Aeroespacial México 2015 y los bonos para el nuevo Aeropuerto Internacional de la Ciudad de México. Hay más informes sobre esta revista en http://la.avionrevue.com/ En la revista Forum Noticias del Foro Consultivo se dan a conocer las actividades del Foro de Consulta Científico y Tecnológico y de las instituciones que lo integran. La publicación electrónica mensual se puede encontrar en http://www.foroconsultivo. org.mx/forum/. La revista presenta información sobre temas relevantes de las agrupaciones de científicos y tecnólogos, de organizaciones de empresarios mexicanos y de instituciones de educación superior e investigación. En su primer número, junio 2015, se ofrece un comentario sobre la renovación de la plantas académicas y las áreas de investigación en el CINVESTAV, así como la innovación y desarrollo, ciencia y tecnología en México. JAAG Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 JFL 59 �Colaboradores Chávez Guerrero, Leonardo Ingeniero Mecánico Metalúrgico (2001) y Maestría en Materiales (2004) por la Facultad de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Doctorado en Nanociencias y Nanotecnología por el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (2008). Posdoctorado en ParisTech de Paris, Francia (2011). Posdoctorado en la Escuela de Química de la Universidad de St Andrews, Escocia (2012). Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1 y Profesor con Perfil deseable (PROMEP). Delgadillo Guerra, Herlinda María Ingeniero Mecánico Electricista, Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Producción y Calidad por la Facultad de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor/Investigador de la FIMEUANL. Profesor con Perfil deseable (PROMEP) Investiga los fenómenos relacionados los procesos de corrosión en estado sólido en cerámicos, la síntesis y caracterización de cerámicos, así como la utilización de subproductos industriales en el desarrollo de materiales cerámicos sustentables. Fajardo San Miguel Gerardo Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias con especialidad en Ingeniería Mecánica por el Instituto Tecnológico de Veracruz y Doctor en Ingeniería Civil por la Universite Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Es especialista en Durabilidad de obras de concreto y deterioro de materiales de Ingeniería. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1 y Profesor con Perfil deseable (PROMEP). Cuenta con más de 10 años de experiencia en el área 60 de durabilidad de obras de concreto evidenciados por más de 20 artículos de investigación publicados. González López, Oscar René Es lingüista y productor de medios audiovisuales egresado de la Escuela Nacional de Antropologia e Historia en 1988. En 1995 fue investigador del Instituto Latinoamericano para la comunicación educativa. De 1992 a 1994 fue Miembro de la subdirección de radio del INI, fue capacitador, director de radiodifusora y coordinador nacional de transferencia de medios. Desde 1996, participa en producciones cinematográficas, de radio y televisión. Guerrero Salazar, Carlos Alberto Ingeniero Químico (1976) por la Universidad Autónoma de Nuevo León, Ph.D. especialidad Ingeniería Química (1986) por l’Ecole Polytechnique de Montreal, Canadá. Profesor de Tiempo Completo adscrito al programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales de la FIME. Pertenece a la Academia Mexicana de Ciencias, posee el Perfil Deseable de acuerdo al Programa de Mejoramiento al Profesorado y es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel II. Sus áreas de investigación son la nanociencia y la nanotecnología. Gulfo Mendoza, Aldemaro Candidato a Magister en Gestión Urbana de la Universidad Piloto de Colombia–Bogotá. Ingeniero Civil de la Universidad del Quindío. Docente Investigador del Programa de Ingeniería Civil de la Universidad Piloto de Colombia –Seccional Alto Magdalena, Grupo de Investigación Desarrollo y Productividad en la Ciudad Región Girardot y el Alto Magdalena. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Colaboradores Moreno Díaz, Maripaz Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones egresada de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (FIME UANL) en 2015. Actualmente es estudiante de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica (MCIE) con orientación en Telecomunicaciones en la misma institución. Luna Martínez, Juan Francisco Ingeniero Mecánico Eléctrico (2000) por la Universidad Autónoma de Nuevo León, Doctor en Ingeniería de Materiales (2011) por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor Investigador de Tiempo Completo titular B, Coordinador de la carrera de Ingeniería Aeronáutica de la Universidad Politécnica de Apodaca y miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel C. Sus áreas de Investigación son Materiales Híbridos Polifuncionales. Llamas Hernández, Mayra Iveth Ingeniero en Mecatrónica (2010) por la UANL, Maestría en ciencias de la ingeniería mecánica con especialidad en Materiales (2012) por la UANL en colaboración con l’Ecole Polytechnique de Montreal, Canadá. Formó parte del programa de desarrollo de talentos de la empesa Frisa Forjados (20122015). Actualmente es estudiante del Doctorado en ingeniería de materiales, en el área de investigación de materiales híbridos aplicados en dispositivos micromecatrónicos. Puente Ornelas, Rodrigo Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor/Investigador de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1 y Profesor con Perfil deseable (PROMEP). Investiga los fenómenos de corrosión en materiales refractarios y aceros de refuerzo, desarrollo de nuevos materiales refractarios, cementicios y termoeléctricos, así como la utilización de materiales suplementarios y desechos industriales para el mejoramiento de las propiedades fisicoquímicas y de durabilidad de pastas, morteros y concretos. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 Puente Ramírez, Norma Patricia Egresada de la maestría en ciencias con orientación en optoelectrónica por el CICESE, doctora en Ciencias por la Universidad Autónoma de Baja California. Desde 2011, adscrita a la FIME de la UANL. Sus áreas de interés son: sensado óptico, óptica visual y la propagación de ondas electromagnéticas en fibras ópticas. Miembro del SNI nivel Candidato, desde 2012. Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Doctorado en Ciencia de Materiales (2004) en la Universidad Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Ha obtenido el Premio de Investigación UANL en 1999, 2004, 2009, 2011 y 2012. Es catedrático investigador en la FIME y el CIIDIT de la UANL. Es miembro del SNI nivel I. Serna Hernandez, Luis Fernando Magister en Administración de Empresas de la Universidad Viña del Mar - Chile. Especialista en Gerencia de Instituciones Educativas y Licenciado de Matemáticas de la Universidad del Tolima – Ibagué. Docente - Investigador del Programa de Ingeniería Civil de la Universidad Piloto de Colombia –Seccional Alto Magdalena, Grupo de Investigación Desarrollo y Productividad en la Ciudad Región Girardot y el Alto Magdalena. Sosa Salazar, Paola Angélica Tiene formación en pedagogía y gestión cultural por la Universidad de Guadalajara. Trabaja en el Instituto Nacional de Antropología e Historia desde 1993, con diversos cargos y funciones en las áreas de divulgación y protección cultural. Es fundadora y coordinadora del grupo cultural “Losereshurbanos” con actividades autísticas, culturales y ambientales. Actualmente es asesor educativo del museo del Templo Mayor y comisionada de cultura de la Coordinadora de Residentes de Tlatelolco, A.C. Trejo Rocha, Vidal Alfredo Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (FIME UANL) en 2014. Actualmente es estudiante de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica 61 �(MCIE) con orientación en Telecomunicaciones en la misma institución. Treviño Cubero, Arnulfo Doctorado en Educación por el Instituto de Educación Superior José Martí de Monterrey, México. Actualmente es Subdirector Académico de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), y tiene 30 años como Profesor investigador de la Coordinación de Administración. Líneas de Investigación: Estadística, Auto transformación Integral Universitaria en Ingeniería y Gestión académico-Administrativa. Ha participado como 62 ponente en eventos nacionales e internacionales sobre educación y tiene publicaciones nacionales e internacionales en esta área. Trujillo Álvarez, Alejando Ingeniero Administrador de Sistemas, Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Relaciones Industriales por la Facultad de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor/Investigador de la FIMEUANL. Investiga los fenómenos relacionados con la utilización de subproductos industriales en el desarrollo de materiales cerámicos sustentables. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx 63 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Revisores Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. 64 Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. 65 �66 Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2015 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 18 Número Número de la revista 68 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2015, Año 18, No 68, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2015 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020831 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Compuestos Grafeno Polímeros Polipropileno Propiedades elásticas https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20790/Ingenierias_2015_Ano_18_No_67_Abril-Junio.pdf a759fb5fb141e2cf8537b65b35687340 PDF Text Text ��67 Contenido Abril-Junio de 2015, Año XVIII, No. 67 2 3 5 12 19 30 38 Directorio Editorial: Memoria e historia Edmundo Derbez García Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico Martín Edgar Reyes Melo, Flor Yanhira Rentería Baltiérrez, Beatriz López Walle Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida Leonardo Chávez Guerrero, María Elena Cantú Cárdenas, Javier A. Garza Cervantes, Margarita Ortiz Martínez, Denisse Margarita Elizondo Escamilla, Ovidio Salazar Salazar, Diana Caballero Hernández Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo de baja tensión Jaisiel Quintero Balandrán New design of distance protection for smart grid applications Blumschein Jörg, Dzienis Cezary, Yelgin Yilmaz La carga de espacio en materiales híbridos Martín Edgar Reyes Melo, Jesús Gabino Puente Córdova, Beatriz López Walle 48 Eventos y reconocimientos 53 Acuse de recibo 51 54 56 57 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Colaboradores Información para colaboradores Código de ética Ingenierías, Abril-Junio 2015, Año XVIII, No. 67 3 �DIRECTORIO Ingenierías, Año XVIII, N° 67, abriljunio 2015. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de abril de 2015. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2015 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio Ángel González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / M.C. Gabriel Martínez Alonso, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL. 4 Ingenierías, Abril-Junio 2015, Año XVIII, No. 67 �Editorial: Memoria e historia Edmundo Derbez García Universidad Autónoma de Nuevo León Centro de Documentación y Archivo Histórico edmundo.derbezg@uanl.mx Autores como el historiador francés de los Anales, Roger Chartier, señalan que la memoria histórica, como su nombre lo indica, se construye a partir de la memoria y la historia. La primera es la presencia del pasado en el presente de una sociedad como elemento esencial de la construcción de su ser colectivo, y la segunda, se inscribe en el orden del saber universal aceptable, sujeto a procedimientos científicos. Para Maurice Halbwachs la expresión memoria histórica asocia dos términos que se oponen. La memoria sale de la conciencia del grupo o de los grupos de una sociedad y se extiende hasta que éstos desaparecen. “La memoria […] se desmorona lentamente en los bordes que marcan sus límites –a medida que sus miembros individuales, sobre todo los más ancianos, desaparecen”, escribe en La mémoire collective. Cuando los recuerdos y los pensamientos mueren, entonces la historia tiende un puente entre el pasado y el presente y restablece la continuidad interrumpida sobre acontecimientos y personajes. Así, en la segunda mitad del siglo XIX al instituirse en Europa políticas para la valorización del patrimonio histórico y cultural, la principal preocupación fue la conservación de la memoria histórica, promoviendo la creación de archivos, bibliotecas, museos, pinacotecas e instituciones afines, “lugares topográficos” –como los llama Jacques Le Goff en Memoria– de donde parte el estudio de la historia. En los documentos está la gran mayoría de las evidencias, datos e información con la que se construye la historia, pero el documento entendido en su más amplio sentido, como explica Eric Hobsbawm, es toda fuente de información registrada en cualquier soporte que sirve de testimonio y prueba de la actividad humana, siendo al mismo tiempo memoria de una época, de un lugar, de una sociedad. A partir de estos restos del pasado –agrega– el método histórico conoce y explica el pasado. De ahí la importancia, como ocurre en países como España, Guatemala y otros sometidos en el pasado a guerras, de generar una política pública de memoria histórica o una ley de memoria histórica que la garantice como un derecho civil. En México un avance en ese sentido será la aprobación de la Ley General de Archivos que garantice la preservación del patrimonio documental del país. Pero también lo será una conciencia, no por decreto, de la importancia de guardar, preservar, organizar y difundir la memoria, no sólo como un mero acto de conservacionismo de objetos, sino como un acto de preservación de la identidad y la continuidad de un pueblo. La recuperación de la memoria Ingenierías, Abril-Junio 2015, Año XVIII, No. 67 5 �Editorial: Memoria e historia / Edmundo Derbez. histórica se constituye en uno de los principales baluartes para que las sociedades adquieran y consoliden su identidad. Por ello resulta indispensable sembrar el país de soportes, incluso pueden erigirse para las generaciones habituadas con las nuevas tecnologías, “lugares topográficos” que exploten los recursos en línea como los repositorios institucionales (RI), índices académicos, bibliotecas digitales, libros electrónicos porque el descubrimiento del pasado, aunque suene a lugar común, ayuda a la proyección del presente para sentar mejores bases para el futuro. Muchos son los autores que así pensaron y piensan. Para Le Goff, la memoria a la que atañe a la historia, que a su vez la alimenta, apunta a salvar el pasado sólo para servir al presente y al futuro. Para Todorov el uso ejemplar de la memoria permite utilizar el pasado con vistas al presente y separarse del yo para ir hacia el otro. Ambas citas adquieren mayor actualidad y relevancia cuando en los últimos años se han visto ejemplos de una memoria histórica y cultural borrada con fines de conquista y sometimiento por parte de grupos étnicos y religiosos, como los casos de la ciudad histórica de Nimrud, capital del imperio asirio; la milenaria ciudad de Hatra, la antigua Ninivé, en Irak, o Palmira en Siria, así como el mausoleo de Al Shab al Dahmani en Trípoli, Libia o los milenarios Budas del valle de Bamiyán en Afganistán. Esta amenaza revierte los fines que Le Goff concede a la memoria histórica: “sirve a la liberación y no a la servidumbre de los hombres”. Igual de grave es que de ordinario, por indiferencia o desconocimiento, existe una destrucción sistemática de testimonios del pasado, un abandono de los diversos tipos de transmisión y fijación de la memoria de base material como mapas, cuadros, fotografías, películas y monumentos; de fuentes escritas en las que entran diferentes tipos de documentos y de las orales en forma de leyendas, mitos, canciones y frases. Todas estas obras del ser humano, son elementos que conforman la memoria histórica de un pueblo. Su conocimiento resulta imprescindible en el fortalecimiento de la identidad cultural; en ese sentido el trabajo de su recuperación y conservación es una prioridad vital de un pueblo como México, porque una sociedad sin historia, sin identidad, sin cultura, sin comprensión de su presente y por tanto de su futuro, está sujeto a la dominación ideológica, política y económica. Representación artística del interior de la Biblioteca de Alejandría (O. Von Corven). 6 Ingenierías, Abril-Junio 2015, Año XVIII, No. 67 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico Martín Edgar Reyes Melo, Flor Yanhira Rentería Baltiérrez, Beatriz López Walle UANL, CIIDIT, FIME mreyes@gama.fime.uanl.mx RESUMEN La creciente demanda de materiales poliméricos para aplicaciones de ingeniería eléctrica, electrónica o mecatrónica requiere no solamente de la caracterización de la dependencia temporal o en temperatura de sus propiedades fisicoquímicas, sino que también es necesario complementar dicho estudio con la caracterización de su movilidad molecular, la cual es producto de su estructura amorfa alejada del equilibrio termodinámico. En este trabajo se llevó a cabo el estudio de la movilidad molecular del polivinil butiral o PVB, el cual, dadas sus propiedades fisicoquímicas, es un importante candidato para llevar a cabo funciones de tipo eléctrico, electrónico y/o mecatrónico. A partir de mediciones experimentales del comportamiento viscoelástico obtenidas mediante análisis mecánico dinámico (DMA), y utilizando la teoría de movimientos moleculares cooperativos, se determinó que la energía de activación de la transición vítrea del PVB es función de su peso molecular promedio y depende fuertemente de la temperatura en un intervalo de T*≈1.1Tg a T0≈Tg-50K. Así, la dependencia en temperatura de la energía de activación de la transición vítrea del PVB, es análoga a la dependencia en temperatura de la cooperatividad de su movilidad molecular. PALABRAS CLAVE Polivinil butiral, movilidad molecular, energía de activación. ABSTRACT The growing demand of polymeric materials for applications in electrical, electronic or mechatronics engineering requires not only characterizing the temporal or temperature dependence of their physicochemical properties, but also it is necessary to complement the study with the characterization of its molecular mobility, which is the product of its amorphous structure away from thermodynamic equilibrium. In this work, we study the molecular mobility of the polyvinyl butyral or PVB, which by their physicochemical properties, is an important candidate to perform electric, electronic and/or mechatronics functions. The experimental measurements of the viscoelastic behavior obtained by dynamic mechanical analysis (DMA), and considering the cooperative molecular motions theory, it was determined that the activation energy of the PVB glass transition is a function of the average molecular weight and strongly depends on the temperature in a range from T*≈1.1Tg a T0≈Tg -50 K. The temperature dependence of activation energy of the PVB glass transition is analogous to the temperature dependence of the cooperativity of its molecular mobility. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 5 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico / Martín Edgar Reyes Melo, et al. KEYWORDS Polyvinyl butyral, molecular mobility, activation energy. INTRODUCCIÓN Hoy en día las aplicaciones que tienen los materiales poliméricos en las diversas áreas de la ingeniería se han incrementado de manera muy importante, principalmente en las áreas de la ingeniería eléctrica, electrónica y/o mecatrónica.1,2 En estos casos en particular, los polímeros además de llevar a cabo la función de contenedor mecánico, también desarrollan funciones de aislante eléctrico, material dieléctrico y/o material conductor de electricidad. En este sentido, por sus propiedades viscoelásticas, térmicas, y dieléctricas, el polivinil butiral o PVB es un polímero candidato de gran potencial para aplicaciones eléctricas, electrónicas y/o mecatrónicas. Un aspecto fundamental a tomar en cuenta para las funciones antes mencionadas, es el hecho de que los polímeros, debido a su carácter macromolecular (en forma de cadenas), presentan una estructura amorfa en su mayor parte, la cual se encuentra alejada del equilibrio termodinámico. En consecuencia, los materiales poliméricos tienen una tendencia o potencial a buscar su equilibrio termodinámico y, por ende, su estructura amorfa puede desarrollar diferentes tipos de movilidad molecular localizada (movimientos moleculares de corto alcance) que, en conjunto, pueden llegar a producir movilidad molecular de largo alcance, manifestándose como cambios conformacionales a través de la formación o destrucción de entrecruzamientos físicos o temporales entre las cadenas poliméricas.3 Este proceso se conoce como envejecimiento físico y se manifiesta macroscópicamente como un decaimiento importante de sus propiedades. Cada tipo de movilidad molecular asociado a dicho proceso de envejecimiento, se caracteriza por el tiempo característico (tiempo de relajación) que requiere para llevarse a cabo, el cual es función de la temperatura. Por otra parte, también existe la posibilidad que las cadenas poliméricas modifiquen su estructura con la finalidad de disminuir su nivel energético para buscar el equilibrio; esto a través de la formación o destrucción de enlaces covalentes al interior y/o 6 entre las cadenas poliméricas. Este proceso se conoce como envejecimiento químico. De lo anterior, se establece que, aunque previo a su utilización los polímeros, sean mezclados con aditivos químicos con el objetivo de protegerlos del desarrollo de entrecruzamientos químicos, evitando con esto un decaimiento pronunciado de sus propiedades, el envejecimiento físico o cambios conformacionales de las cadenas no puede eliminarse, lo que limita el periodo de vida útil de estos materiales. Por lo tanto, es importante identificar y cuantificar la movilidad molecular del polímero en cuestión con el fin de alcanzar un mejor desempeño de sus propiedades. Por otra parte, las importantes aplicaciones industriales que el PVB tiene hoy en día, se pueden expandir al dominio de los materiales dieléctricos, semiconductores y conductores, cuando dicho material polimérico se combina de manera estratégica con materiales metálicos nanoestructurados, sintetizando de esta forma lo que se conoce como materiales híbridos.4,5 Sin embargo, como se mencionó anteriormente, esto requiere primeramente, una caracterización de la movilidad molecular de estos materiales, ya que la interacción entre el PVB y las nanopartículas metálicas define las propiedades del material híbrido resultante.5 En la figura 1a se muestra un segmento de cadena del PVB, así como el resultado obtenido mediante espectroscopia de infrarrojo o FTIR (ver figura 1b), que muestra los diferentes modos de vibración, correspondientes a los principales grupos químicos que se encuentran en las cadenas poliméricas. Mediante FTIR es posible identificar de manera cualitativa la movilidad molecular localizada en las cadenas de PVB a una temperatura constante; sin embargo, es complejo estimar un parámetro cuantitativo para dicha movilidad en función de la temperatura, por lo que el estudio debe complementarse con mediciones experimentales de tipo oscilatorio, como en el Análisis Mecánico Dinámico o DMA. El objetivo de este trabajo es desarrollar un estudio cuantitativo de la movilidad molecular del PVB, el cual está basado en la determinación de los tiempos de relajación asociados a dicha movilidad molecular. Lo anterior se llevará a cabo a partir de Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico / Martín Edgar Reyes Melo, et al. a b Fig. 1. a) Estructura del PVB con peso molecular promedio de 23,000 g∙mol-1, y su b) correspondiente espectro FTIR. mediciones experimentales del comportamiento viscoelástico del PVB, las cuales serán obtenidas mediante DMA. La relación que existe entre los tiempos de relajación calculados y la temperatura será utilizada para calcular la energía de activación de la movilidad molecular correspondiente. La energía de activación es la energía mínima que necesita un sistema antes de iniciar un determinado proceso de movilidad molecular.6 En este caso en particular, la magnitud de la energía de activación es un parámetro de gran utilidad para estudios posteriores sobre el decaimiento de las propiedades fisicoquímicas del PVB. Análisis Mecánico Dinámico (DMA) En la técnica experimental de DMA, el polímero se somete a un estímulo mecánico oscilatorio que sigue una forma sinusoidal. La respuesta obtenida se encuentra en desfase en un ángulo δ con respecto al estímulo aplicado. Este ángulo δ puede tener magnitudes que varían entre 0 y π/2, y es función de la estructura, morfología y de sus historiales mecánicos, térmicos y eléctricos. Por otra parte, el ángulo δ que Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 se produce entre el estímulo y la respuesta obtenida, permite calcular el Módulo Elástico Complejo (E*=E'+iE" ), ya sea en función de la temperatura a una frecuencia constante, o bien, en función de la frecuencia a una temperatura constante. La parte real, E′, se encuentra en fase con el estímulo mecánico aplicado y representa a la movilidad molecular del polímero que se manifiesta de manera elástica (almacenamiento parcial de energía). Por otra parte, la parte imaginaria, E″, tiene un ángulo de desfase π/2 con respecto al estímulo aplicado y representa a la movilidad molecular asociada con un proceso de disipación parcial de energía. La representación del módulo elástico en su forma compleja permite estimar tan δ=E″/E′ en función de la temperatura a una determinada frecuencia. La figura 2 muestra los resultados obtenidos, tan δ vs T, mediante DMA para una muestra de PVB a una frecuencia de 1 Hz. En los recuadros se muestran los gráficos de E′ (T) y de E″ (T) que dieron origen al gráfico de tan δ vs T. A temperaturas bajas, entre 23°C y 45°C, se identifica un comportamiento elástico, prácticamente independiente de la temperatura, el cual se asocia con E′≈5.7×108 Pa; éste corresponde a valores cercanos a cero para tan δ, mientras que E″ tiene valores con un orden de magnitud inferior al de E′. Esto es un indicador de que la disipación de energía es mínima en este intervalo de temperaturas. Por otra parte, en un intervalo de temperatura que va de 45°C a 75°C, E′ decae de manera importante cuando la temperatura Fig. 2. Resultados obtenidos mediante DMA para una muestra de PVB con un peso molecular promedio de 23,000 g∙mol-1. 7 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico / Martín Edgar Reyes Melo, et al. aumenta y, tanto E″ como tan δ, presentan un pico en la región donde E′ (T) tiene la mayor tasa de decaimiento. Continuando con la figura 2, la temperatura en la que se presenta el pico de tan δ se utiliza como una estimación de la temperatura de transición vítrea, Tg, del PVB. Por definición, el pico de tan δ corresponde a un máximo de la relación entre la energía disipada y la energía almacenada; por lo tanto, el punto en la temperatura de dicho pico corresponde también a un máximo de movilidad molecular asociada a una disipación de energía para una frecuencia de 1 Hz. A temperaturas superiores a 75°C, E″ y tan δ tienen valores cercanos a cero, y corresponden a un valor E′≈1.7×106 Pa, cuya dependencia de la temperatura es mínima. Así, las curvas obtenidas de la dependencia en temperatura para E′,E″ y tan δ, son coherentes con el hecho de que la transición vítrea en los polímeros corresponde a un cambio de movilidad molecular de corto alcance, a una movilidad molecular de largo alcance cuando la temperatura aumenta.5,6 Mediciones experimentales de los tiempos de relajación Con la finalidad de identificar de una manera más clara los parámetros que definen los tiempos de relajación del PVB, se analizaron dos muestras con diferente peso molecular promedio, PVB-BL 23,000 g∙mol-1 y PVB-BM 53,000 g∙mol-1. Estos fueron suministrados por Sekisui Chemical Co., Ltd. En ambos casos, las probetas utilizadas fueron manufacturadas en forma de película delgada con las siguientes dimensiones: 21 mm de largo, 7 mm de ancho y 0.08 mm de espesor. Las mediciones experimentales de E* se llevaron a cabo utilizando un DMA 8000 Perkin Elmer utilizando el modo de tensión, siendo las frecuencias analizadas de 0.1, 1, 10 y 100 Hz, y empleando una rampa de calentamiento de 2°C/min. En la figuras 3a y 3b se muestran, para las dos muestras, los espectros obtenidos de tan δ en función de la temperatura a las diferentes frecuencias analizadas. En ambos casos se logra identificar de manera clara que la forma, la amplitud y la posición en temperatura de los picos de relajación, asociados a la transición vítrea, son función de la frecuencia. Por 8 a b Fig. 3. Espectros de tan δ en función de la temperatura: a) muestra PVB-BL, b) muestra PVB-BM. otra parte, se identifica el efecto del peso molecular promedio sobre los picos de relajación: cuando el peso molecular aumenta, las temperaturas de transición vítrea también aumentan. Así mismo, la amplitud de los picos de relajación también aumenta. La amplitud y la forma de estos picos se relacionan, no solamente con la frecuencia, sino también con el peso molecular promedio o, mejor dicho, con la curva de distribución de pesos moleculares. En la tabla I se muestran los valores de Tg estimadas para las dos muestras estudiadas a las cuatro frecuencias mencionadas. Tomando como referencia la posición en temperatura de cada pico de relajación, se identifica que para las dos muestras, los espectros de tan δ vs T tienen un deslizamiento hacia altas temperaturas a medida que la frecuencia aumenta. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico / Martín Edgar Reyes Melo, et al. Tabla I. Valores estimados de la Tg mediante mediciones experimentales de DMA. Muestra PVB-BL PVB-BM 0.1 61.6°C 66.36°C Frecuencia (Hz) 1 65.53°C 72.86°C 10 69.95°C 80.8°C 100 77.28°C 85.1°C Este comportamiento es una manifestación clara de que la transición vítrea y, por ende, sus movimientos moleculares correspondientes constituyen un proceso térmicamente activado,6-8 el cual puede ser caracterizado mediante el cálculo de su energía de activación. Cada uno de los picos observados en los gráficos de tan δ vs T corresponde al punto en la temperatura y frecuencia donde se presenta con mayor intensidad la movilidad molecular, asociada con la transición vítrea del PVB. Para cada pico de relajación, es posible estimar el tiempo de relajación (τ) correspondiente, considerando la siguiente expresión matemática: a (1) De acuerdo con (1), para cada pico de relajación se obtiene la magnitud de τ y la temperatura a la que se presenta dicho pico. Con estos datos calculados, en la siguiente sección se calculará la energía de activación correspondiente para cada muestra analizada. Análisis de los tiempos de relajación A partir de la magnitud de τ y la temperatura a la que se presenta cada pico de relajación, se construye un diagrama de tipo Arrhenius . La figura 4 presenta los gráficos de tipo Arrhenius correspondientes a las figuras 3a y 3b. En un comportamiento de tipo Arrhenius, la energía de activación, E a, es independiente de la temperatura, y el tiempo de relajación correspondiente, τ, se representa matemáticamente mediante la siguiente ecuación:6,8 (2) En la ecuación 2, el parámetro τ0 se relaciona con el inverso de la frecuencia de vibración atómica, kB es la constante de Boltzman y T es la temperatura absoluta. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 b Fig. 4. Diagramas de tipo Arrhenius obtenidos para cada una de las muestras de PVB analizadas: (a) PVB-BL, (b) PVB-BM. Los gráficos de la figura 4 muestran que, para las dos muestras analizadas, existe una tendencia a alejarse de un comportamiento de tipo Arrhenius. Este comportamiento se explica por el hecho de que la movilidad molecular asociada a la transición vítrea sigue la teoría de movimientos moleculares cooperativos.9-11 El modelo de movimientos cooperativos establece que los movimientos moleculares a temperaturas superiores a una temperatura T*, se realicen de una manera independiente (sin cooperatividad), con una probabilidad directamente proporcional al inverso de τ. Sin embargo, cuando la temperatura comienza a descender, para que los movimientos moleculares se lleven a cabo, se requiere que los segmentos 9 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico / Martín Edgar Reyes Melo, et al. de cadena (confórmeros) vecinos se muevan de manera coordinada. A medida que el número de confórmeros que se deben mover cooperativamente se incrementa, la probabilidad para que dichos movimientos se efectúe con éxito debe seguir la siguiente ecuación: (3) De acuerdo a la ecuación anterior y considerando que P mov cooperativos es proporcional al inverso de τmov cooperativos, se establece la siguiente expresión matemática: (4) Si tomamos en cuenta que la probabilidad para que un confórmero se mueva de manera independiente sigue la siguiente expresión matemática: (5) Entonces, a partir de la ecuación 4 y considerando la ecuación 5, podemos establecer la ecuación 6 para los tiempos de relajación de movimientos cooperativos: (6) En la ecuación 6, Ea representa a la energía de activación de un confórmero que se mueve sin cooperatividad, el parámetro Z define el número de Tabla II. Parámetros utilizados para describir los tiempos de relajación de movimientos cooperativos. Parámetros Valores PVB-BL Valores PVB-BM T0 288.15 K 292.2 K τ0 5.5×10-13s T* Ea 360.5 K 0.57 eV a aumentar, tendiendo a un valor infinito cuando T tiende a T0. A partir de las ecuaciones 6 y 7 es evidente que la energía de activación correspondiente a la movilidad molecular de la transición vítrea, depende significativamente de la temperatura. En la tabla II se muestran los parámetros calculados correspondientes al ajuste de los datos experimentales de las figuras 4a y 4b. Las magnitudes de T* y T 0 son coherentes con los valores calculados para otros materiales poliméricos;10,11 se obtiene que es una relación empírica ligeramente mayor a la unidad y T0≈Tg-50 K. El parámetro Ea que corresponde a la energía de activación de confórmeros que se mueven de manera independiente también asemeja al calculado para otros polímeros,9-11 y se obtiene el mismo valor de factor pre-exponencial τ0, el cual se encuentra en el mismo orden de magnitud del valor inverso de la frecuencia de la vibración atómica. Finalmente, en la figura 5 se muestra la dependencia en temperatura de la energía de activación para las dos muestras analizadas, y se identifica de manera clara que la energía de activación aumenta cuando el peso molecular se incrementa. Este comportamiento puede explicarse por el hecho de que los grupos químicos asociados a la movilidad molecular requieren más energía debido a que están anclados a cadenas moleculares más grandes (mayor peso molecular promedio). 372.5 K 0.57 eV 5.5×10-13s confórmeros que se mueven de manera cooperativa y se estima de la siguiente manera:9,10 (7) En la ecuación 7, cuando T≥T* los movimientos moleculares se llevan a cabo de manera independiente, sin cooperatividad y Z=1. Cuando la temperatura empieza a descender por debajo de T*, Z empieza 10 Fig. 5. Dependencia en temperatura de la energía de activación para las dos muestras analizadas. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico / Martín Edgar Reyes Melo, et al. En ambos casos, la energía de activación se incrementa considerablemente cuando la temperatura disminuye y tiende a T0, y por otra parte, la energía de activación tiende a su valor mínimo cuando la temperatura tiende a T*. Desde un punto de vista molecular, la cooperatividad se presenta entre estas temperaturas y, a medida que la temperatura disminuye partiendo de T*, la cooperatividad aumenta de manera importante, provocando un aumento considerable de la energía de activación. CONCLUSIONES Los tiempos de relajación calculados a partir de los resultados experimentales obtenidos mediante DMA corresponden a movimientos moleculares cooperativos y la energía de activación correspondiente es función de la temperatura. El peso molecular promedio afecta de manera directa a la movilidad molecular del PVB. Este estudio servirá de base para el desarrollo de materiales híbridos PVB-nanopartículas metálicas, con potenciales aplicaciones en electricidad, la electrónica y la mecatrónica. 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Rault; Origin of the Vogel-Fulcher-Tammann law in glass-forming materials: the α-β bifurcation; Journal of Non-Crystalline Solids, 2000, Vol.271, pp.177-217. 7. J. Colmenero, F. Alvarez, Y. Khairy, A. Arbe: Modeling the collective relaxation time of glassforming polymers at intermediate length scales: Application to polyisobutylene; The Journal of Chemical Physics; 2013; Vol. 139, pp. 044906 (1-6). 8. H. Bahous, Manil M. Soufi Laurent Meuret, M. Benzohra; Relaxation time at glass transition temperature measured by simplex thermo stimulated depolarisation current; Macromol. Symp. 2014, Vol. 341, pp. 45–50. 9. S. Matsuoka; Entropy, free volume, and cooperative relaxation; Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology; 1997; Vol. 102, No. 2, pp. 213-228. 10.M.E. Reyes-Melo, J.J. Martínez-Vega, C. A. Guerrero-Salazar, U. Ortiz-Méndez; Mechanical and dielectric relaxation phenomena of poly(ethylene-2,6-napthalene dicarboxylate) by fractional calculus approach; Journal of Applied Polymer Science; 2006; Vol. 102, No. 3, pp. 3354-3368. 11.M.E. Reyes-Melo, V.A. González-González, C.A. Guerrero-Salazar, F. García-Cavazos, U. Ortiz-Méndez; Application of fractional calculus to the modeling of the complex rheological behavior of polymers: From the glass transition to flow behavior. I. The theoretical model; Journal of Applied Polymer Science; 2008; Vol. 108, No. 2, pp. 731-737. 11 �Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida Leonardo Chávez GuerreroA*, María Elena Cantú CárdenasA, Javier A. Garza CervantesA, Margarita Ortiz MartínezA, Denisse Margarita Elizondo Escamilla A, Ovidio Salazar SalazarB, Diana Caballero HernándezA A B Universidad Autónoma de Nuevo León Universidad Autónoma de Tamaulipas leonardo.chavezgr@uanl.edu.mx RESUMEN El hidróxido de calcio [Ca(OH)2] se reconoce como un bactericida eficaz y además se aplica ampliamente en materiales de construcción y en la industria de alimentos. El Ca(OH)2 es principalmente producido por la hidratación del óxido de calcio (CaO), es cual es obtenido mediante la descomposición térmica del carbonato de calcio (CaCO3) proveniente de fuentes como la piedra caliza. En este trabajo, se sintetizó hidróxido de calcio mediante la transformación termoquímica de residuos de biomasa de la industria tequilera (bagazo). Las muestras se caracterizaron por difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido, que muestran que la biomasa procesada a 600 °C se compone principalmente de CaCO3 y que el Ca(OH)2 se produce después de la calcinación a 900°C seguida de hidratación. Se evaluó la actividad bactericida del Ca(OH)2 obtenido de bagazo mediante los ensayos de difusión en agar y viabilidad por turbidez, en contra de las bacterias Escherichia coli y Enterococcus faecalis. Esta es la primera vez que Ca(OH)2 obtenido a partir de bagazo de agave se ha propuesto y evaluado como bactericida, con resultados positivos, introduciendo una fuente alternativa y sustentable para este compuesto. PALABRAS CLAVE Sustentabilidad, bagazo de tequila, ceniza, hidróxido de calcio, carbonato de calcio, bactericida. ABSTRACT Calcium hydroxide [Ca(OH)2] is recognized as an efficient bactericide and is widely applied in construction materials and the food industry. Ca(OH) 2 is mainly produced by hydration of calcium oxide (CaO), where CaO is obtained via thermal decomposition of calcium carbonate (CaCO 3), from sources such as limestone. In this work, calcium hydroxide was synthesized by the thermochemical transformation of waste biomass from the tequila industry (bagasse). The samples were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy, showing that the processed biomass at 600°C is composed mainly of CaCO3 and Ca(OH)2 is produced after calcination at 900 °C followed by hydration. Bactericidal properties were investigated using the agar diffusion 12 Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida / Leonardo Chávez Guerrero, et al. assay and viability test against Escherichia coli and Enterococcus faecalis. This is the first time that Ca(OH)2 obtained from agave bagasse has been proposed and tested as a bactericidal, introducing an alternative source of this compound. KEYWORDS Sustainability, tequila bagasse, ash, calcium hydroxide, calcium carbonate, bactericidal. INTRODUCCIÓN La cosecha de biomasa de las tierras semiáridas es una fuente muy prometedora de bienes,1 ya que el uso de las mismas, aumenta las tierras cultivables disponibles para la producción de alimentos.2 Las plantas xerófitas de la familia Agavaceae como Agave americana o Agave tequilana, que crecen en tierras semiáridas, son utilizadas como fuente de alimentos, fibras, energía y bebidas espirituosas como el tequila y el mezcal.3,4,5 Las 300 especies de agave conocidas son todas nativas del continente americano y se sabe qué hace 7,500 años, los humanos las utilizaban para fabricar calzado, tejiendo fibras de la penca empleando espinas como agujas.6 La industria tequilera produce diversos desechos; sólidos (bagazo), líquidos (vinazas) y gaseosos, como el CO2.7 A principios de la década de 1990 se registró un aumento en la popularidad del tequila en todo el mundo, haciéndola una industria atractiva a nivel mundial. La producción de bebidas alcohólicas procedentes de agave típicamente sigue 5 pasos: cocción, molienda, fermentación, destilación y añejamiento. Recientemente, se han desarrollado diversas aplicaciones que toman ventaja del bagazo de agave; como combustible,8-9 en fabricación de papel,10 en alimentación de animales y como composta para la agricultura ecológica.4 Convenientemente, como fuente de compuestos de calcio, el bagazo de tequila, una biomasa renovable,11 tiene el potencial de mitigar el calentamiento global como lo han demostrado otros tipos de biomasa, como la jatrofa, aceite de palma y cáscara de coco.12 Una práctica común en el manejo de los residuos generados por la industria del tequila es secar al sol el bagazo, seguido de su incineración para reducir volumen, esto permite la recuperación de energía, pero produce grandes cantidades de ceniza. En la actualidad, hay un interés creciente Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 en la recuperación de hidróxido de calcio, óxido de calcio y carbonato de calcio a partir de recursos renovables, como la ceniza de bagazo. Hoy en día, el hidróxido de calcio se obtiene principalmente por la calcinación de piedra caliza a 900 °C, que es posteriormente hidratada. Este método es costoso, debido al consumo de energía, debido al uso de combustibles fósiles, necesaria para alcanzar la temperatura de calcinación, lo que también produce altas cantidades de CO2, una de las principales causas del calentamiento global.13 El Ca(OH)2 tiene una amplia gama de aplicaciones; se ha utilizado desde la antigüedad como un componente del cemento9 y más recientemente como antifúngico,14 como relleno bactericida de los conductos radiculares en los tratamientos de endodoncia,15 degradación fotocatalítica frente al azul de metileno,16 como almacén de calor de las plantas solares concentradas,13 moduladores del pH en los suelos y en la industria del papel para recristalizar CaCO3.17 El objetivo principal de este trabajo ha sido evaluar el uso potencial del bagazo calcinado de la industria del tequila como agente bactericida, utilizando Escherichia coli (E. coli) y Enterococcus faecalis (E. faecalis) como modelo de estudio. También tiene como objetivo introducir una fuente alternativa y renovable de Ca(OH)2 que tiene el potencial de reducir el impacto ecológico de la industria del tequila y la piedra caliza en todo el mundo. MATERIALES Y MÉTODOS Producción de Ca(OH)2 a partir del bagazo de agave El bagazo recibido se introdujo en un horno Thermolyne dentro de un contenedor (crisol de alúmina) y se calcinó a 600 °C durante 2 horas hasta obtener ceniza; esta muestra fue denominada C600. A continuación, la ceniza (C600) se cribó utilizando un tamiz estándar de cobre y se calcinó a 900 °C durante 5 horas. Entonces, la ceniza se vació en agua desionizada durante 30 minutos, finalmente, el material se dejó secando a 100 °C durante 5 horas; esta muestra fue nombrada C900. Para comparar la actividad antimicrobiana se utilizó Ca(OH)2 grado analítico adquirido en Sigma-Aldrich, el cual se identifica de aquí en adelante como COM. 13 �Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida / Leonardo Chávez Guerrero, et al. Microscopía Electrónica de Barrido y Difracción de Rayos X La morfología y composición de las muestras se determinaron utilizando un microscopio electrónico de barrido (MEB) de alta resolución Philips FEI XL30 Sfeg, con un sistema de microanálisis y dispersión de energía por rayos X, y una energía de aceleración de 10 kV. Todos los compuestos se analizaron por difracción de polvo de rayos X (DRX) en un difractómetro Bruker D8 Advance. Los difractogramas se obtuvieron de 2θ = 20-60° utilizando una radiación Cu Kα (λ = 1.5406 Å). Evaluación de la actividad bactericida Para probar la eficacia de los compuestos para inhibir el crecimiento microbiano, se utilizó el ensayo de difusión en agar utilizando para ello dos bacterias, E. coli, ATCC 25922 (American Type Culture Collection, Rockville, MD) y E. faecalis, ATCC 29212. Los cultivos de prueba se prepararon mediante subcultivo en caldo de tripticasa de soya (Merck), la pureza del cultivo se controló por observación al microscopio. Para el ensayo de difusión en agar, se inocularon doscientos microlitros (µL) del cultivo directo o de una dilución 1:10 en una placa de agar, el cultivo fue esparcido cuidadosamente en la superficie de agar Muller-Hinton (Bioxon) usando un triángulo de vidrio estéril. Se prepararon aproximadamente 10 µL de pasta a partir de cada muestra, y se colocaron en posiciones equidistantes en la superficie del agar. Las placas se incubaron a 37 °C durante 24 horas y posteriormente se examinaron para determinar la presencia de halos de inhibición alrededor de los compuestos. Todas las pruebas se realizaron por triplicado para cada microorganismo. Prueba de viabilidad por turbidez Se prepararon tubos con 2 ml de Caldo LB (Bioxon), los cuales se inocularon con 20μL de la dilución 1:10 del cultivo microbiano y posteriormente se adicionaron 0.05 g de cada uno de los compuestos a evaluar o el compuesto de referencia. La incubación se realizó en agitación a 150 rpm a 37°C y se les determinó la absorbancia a una densidad óptica de 596 nm a los 3 y 6 días. Para hacer las mediciones de absorbancia se realizó una 14 dilución 1:10 en condiciones de asepsia en solución isotónica. Las pruebas se realizaron por triplicado, se llevó un control de cultivo sin tratar y como blanco se utilizó medio de cultivo sin inocular. Adicionalmente se realizó un conteo de células vivas mediante la técnica de dilución y siembra en placa empleando como medio agar LB (Bioxon). RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la figura 1, los resultados de rayos X muestran los principales compuestos encontrados en los tres materiales estudiados. Para C600, el perfil muestra un pico que coincide con carbonato de calcio (PDF 00-004-0636), un hallazgo no del todo inesperado, ya que las plantas extraen minerales del suelo, entre ellos calcio. En el caso de C900, el perfil se corresponde con hidróxido de calcio, el producto de la descarboxilación del CaCO 3. Al analizar los difractogramas de las muestras estudiadas, teóricamente, sería de esperar que el perfil para la muestra COM coincidiera con el perfil disponible en las bases de datos para Ca(OH)2, sin embargo, de acuerdo con los resultados, la muestra COM se compone de una combinación de hidróxido de calcio y carbonato de calcio, por ejemplo, el pico observado a 28.5° puede explicarse por la exposición repetida del polvo grado reactivo al CO2 en el medio ambiente, una vez se ha abierto el recipiente, lo que produciría una carbonatación parcial de la muestra. En la ecuación 1 se muestra la reacción que sufre la ceniza de bagazo durante el proceso de calcinado. Durante este proceso el 56% (p/p) permanece como óxido de calcio, mientras que el 44% restante corresponde al dióxido de carbono. Luego por cada 1,000 kg de ceniza generada se producirán 560 kg de CaO, pero las emisiones netas de CO2 no se verán afectadas, dado la fuente renovable utilizada (bagazo). (1) En la ecuación 2 se indica la reacción exotérmica intermedia necesaria para obtener hidróxido de calcio, donde la cal se mezcla con agua para obtener Ca(OH)2 más calor. De acuerdo con esto, 560 kg de CaO producirán 740 kg de hidróxido de calcio. La ecuación 3 muestra la reacción de carbonatación Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida / Leonardo Chávez Guerrero, et al. de hidróxido de calcio, que se produce de forma espontánea al aire o un medio ambiente con presencia de CO2. La ecuación 3 explica el comportamiento de la muestra COM, que es expuesto a CO2, y que fue corroborado por los resultados de rayos X en la figura 1. (2) (3) En la figura 2 se muestra la morfología de las muestras después de las transiciones químicas. En la figura 2(a) la muestra COM presenta formas de partícula irregulares, esto se puede atribuir a la utilización de piedra caliza molida durante el proceso de síntesis de Ca(OH)2. En la figura 2(b) todavía es posible discernir la estructura del agave, con pequeñas partículas semicirculares.8 Finalmente, en la figura 2(c) se puede observar el proceso de cristalización del CaO, obteniéndose morfologías regulares (hexagonales) de hidróxido de calcio. La presencia de CaCO 3 en el bagazo podría explicarse por la capacidad de las plantas para romper y disolver la roca circundante mediante la excreción de compuestos ácidos presentes en exudados de las raíces,18 este mecanismo es utilizado por las plantas para obtener minerales de suelos pobres que posteriormente pueden recuperarse para diversas aplicaciones. Del material que resta de la planta (a) (a) Fig. 1. Patrones de difracción (DRX) de las muestras estudiadas. (ceniza), una vez que el bagazo ha sido usado como biocombustible, es posible proporcionar compuestos con aplicación potencial en el área médica y diversas industrias. La tabla I indica la composición de las muestras (en porcentaje atómico - At%) obtenida por microanálisis, durante la adquisición de imágenes en el MEB. Los resultados coinciden con la información obtenida por rayos X y corroborados por las ecuaciones 1 y 3. Las diferencias en la composición entre C900 y COM son evidentes. La composición inusual mostrada por la muestra (b) (b) (c) (c) Fig. 2. Imágenes de MEB mostrando la morfología de COM en (a), C600 en (b) y C900 en (c). Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 15 �Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida / Leonardo Chávez Guerrero, et al. Tabla I. Resultados del microanálisis que muestran la composición elemental de las muestras estudiadas. Elemento C O Ca C600 C900 COM 26.50 10.13 24.00 At% 52.39 21.11 At% 60.49 29.38 At% 45.06 30.94 COM, en comparación con C900, se puede explicar considerando la presencia de Ca(OH)2 y CaCO3 durante el análisis. La información detallada sobre la caracterización de la ceniza de agave se puede obtener en González-López et al 2015. Evaluación de la actividad bactericida Usando el ensayo de difusión en agar, se observó un halo de inhibición alrededor del Ca(OH)2 tanto en cultivos de E. coli como de E. faecalis, tanto en las placas inoculadas con cultivo sin diluir y con cultivos diluidos 1:10 también, mientras que este efecto no fue observado con el carbonato de calcio (figura 3). Sin embargo, los mecanismos por los que el Ca(OH)2 inhibe el crecimiento bacteriano no se conocen o comprenden bien, se han propuesto al menos tres mecanismos, pero la controversia continua.19 En la figura 3(a), se presenta un acercamiento de los halos de inhibición de los diferentes tratamientos. En el caso de E. faecalis, el tamaño de radio del halo es aproximadamente el mismo que el observado para COM y C900, respectivamente. Con C600 no se observó un efecto sobre el crecimiento bacteriano, lo que excluye la posibilidad de actividad bactericida inherente de la ceniza sin procesar. En el caso de E. coli, el tamaño del halo de inhibición es muy similar para C900 y COM, lo que sugiere que la ceniza obtenida C900 posee una potencia muy parecida a COM, a pesar de las diferencias en su composición sobre esa bacteria. Sin embargo, el tamaño de halo no es el principal factor a tener en cuenta para la mayoría de las aplicaciones, ya que los mecanismos de actividad bactericida putativos de Ca(OH)2 son mediados por contacto.19 En la figura 3 (b) se puede observar el crecimiento microbiano en los cultivos experimentales, representado como la viabilidad de los cultivos a diferentes tiempos, la viabilidad se determinó 16 midiendo la absorbancia de los cultivos a 596 nm por el método de turbidez en tubo; se puede observar que los resultados fueron similares para C900 y Ca(OH)2 comercial y claramente distintos con respecto a C600. Se determinó la viabilidad a los días 3 y 6 y se empleó un cultivo control sin tratamiento, el cual representa el crecimiento “total” a cada uno de los tiempos analizados (100% de células viables) y sirvió como referencia para el cálculo de viabilidad de las muestras estudiadas. La principal diferencia en los resultados de actividad bactericida entre las muestras analizadas, podría deberse a que el material comercial fue intensivamente procesado, mientras que C900, contiene todavía trazas de elementos o impurezas tales como K, P, Mg11 normalmente contenidas en la planta.18 Para el año 2012, el promedio de producción de tequila fue de 253 millones de litros. La producción de un litro de tequila requiere 7 kg de agave, lo que equivale a una demanda de aproximadamente 1,771 millones de toneladas de agave tan solo ese año. El subproducto generado durante el proceso representa el 40% del peso húmedo del agave utilizado en la fabricación de tequila, es decir, se generaron 708,400 toneladas de bagazo durante el 2012. A partir de este material, aproximadamente el 16% del peso húmedo de bagazo se puede recuperar como ceniza cuando se calcina a 900 °C,11 mientras que el manejo inadecuado de estos residuos podría ser perjudicial para el ambiente y la salud humana. Por todo esto, es de gran importancia encontrar alternativas sustentables para el manejo de subproductos potencialmente contaminantes, utilizando procedimientos y aplicaciones como el que se propone en el presente trabajo. CONCLUSIONES Según los resultados, se puede concluir que es posible obtener Ca(OH)2 a partir de la combustión de residuos de agave utilizando un método sencillo, además, este hidróxido de calcio posee actividad antimicrobiana contra E. coli y E. faecalis, dos microorganismos patógenos de importancia para la salud dental y donde el Ca(OH) 2 ha sido tradicionalmente usado como bactericida. El uso de cenizas procesadas a base de bagazo de agave posee varias ventajas para su uso sustentable: 1) Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida / Leonardo Chávez Guerrero, et al. Fig. 3. (a) Halo de inhibición visto con microscopía óptica a 8x. Barra de escala de 2 mm. En (b) se muestra el crecimiento microbiano en los cultivos bajo los diferentes tratamientos. hay un flujo continuo de subproductos industriales. 2) dado que el agave es una xerofita no requiere de riego continuo y 3) al crecer en tierras semiáridas donde otros cultivos no pueden desarrollarse permite el uso de superficies no usualmente percibidas como útiles. Lo más importante, la biomasa de agave está disponible en abundancia en México, por lo tanto, el uso de bagazo procesado para aplicaciones médicas podría proporcionar un destino útil para la disposición de residuos peligrosos con un valor añadido para el cuidado del ambiente. Futuros trabajos se centrarán en determinar la extensión de las propiedades bactericidas del Ca(OH)2 obtenido a partir del bagazo de agave. Estas Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 propiedades se compararán con las del Ca(OH)2 comercial, durante períodos más largos de tiempo, y empleando una variedad de bacterias patógenas. REFERENCIAS 1. 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PALABRAS CLAVE Falla a tierra, motor de inducción, protección de sobrecorriente, corriente de secuencia cero, huecos de tensión. ABSTRACT This paper is focused on the ground protection in motors of low voltage and the causes of the premature failure due to insulation failure. KEYWORDS Phase-to-ground fault, induction motor, overcurrent protection, zero-sequence current, sags. INTRODUCCIÓN En el presente documento se presenta una explicación teórica a la problemática presentada en equipos de baja tensión instalados principalmente en el área de carbón y cenizas de las centrales termoeléctricas de la Zona Norte de Coahuila en donde se observa la operación del elemento de sobrecorriente a tierra; se eligió la observación de los motores a un nivel de 480 V por ser estos los que tienen una mayor cantidad de arranques diarios, y por ende presentan la tasa de mortandad más grande así como las reparaciones subsecuentes. Artículo publicado en el XII Simposio Iberoamericano sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia, 2015. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Motores Los motores observados en este estudio son de diversas capacidades, mismos que oscilan entre 60 y 300 HP, con distintas armazones y aplicaciones. Para fines de categorización y por conveniencia del estudio se engloban en función a su aplicación siendo catalogados de la siguiente manera: -Bombas para manejo de lodos. -Bombas para manejo de aguas turbias. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 19 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. -Reductores acoplados a transportadores de bandas de diferentes longitudes (entre 30 m y 1500 m). -Ventiladores, soplantes y compresores de diferentes capacidades. Elementos de protecciones Los relevadores de sobre corriente empleados son las unidades de disparo Digitrip, en sus diferentes versiones desde 520 hasta el 1150, dichas protecciones en su mayoría cuentan con los ajustes en base al cálculo de corto circuito elaborado para la puesta en servicio. Transformadores de corriente Los transformadores de corriente (TC´s) se encuentran montados en la salida de potencia de los interruptores en el lado de la carga, con relación de transformación a 5A secundarios, mismos que se encuentran montados en los interruptores en las barras de salida de fuerza al motor, otra parte de los interruptores en cuestión se encuentran alojados en el interior del mismo interruptor y una pequeña parte se encuentra montado en los conductores de potencia, esta sección de TC´s corresponde a los de secuencia negativa mismos que tienen una relación de 1000/1A. encuentra sólidamente aterrizada (Ver figura 1), esto trae como ventaja el poder portar el neutro a través del mismo cableado, aunque cabe destacar el riesgo de la magnitud que originaría un arco por falla a tierra. EL ELEMENTO DE SOBRECORRIENTE DE SECUENCIA CERO Para el caso de estudio del presente documento, la detección de la falla a tierra, típicamente es lograda mediante el uso de un elemento de sobrecorriente que tiene su respuesta a la I0 del sistema que monitorea. La corriente de secuencia cero tiene lugar en una falla que implica un desbalance de tensión, así como una referencia a tierra y aunque se genera en la operación normal del equipo cuando estos trabajan en sistemas desbalanceados, esto no implica una condición de falla,2 pero se entiende el hecho de que las cargas desbalanceadas ocasionan flujos de corriente cero, adicionalmente, existe la recomendación de que los elementos de protección para falla a tierra sean ajustados en un nivel que permita la operación del equipo tomando en cuenta que este se encuentre por sobre el desbalance del sistema, lo cual, trae como consecuencia el segado de la sensibilidad del elemento de I0. El relevador de sobrecorriente Condiciones ambientales El clima de la región es extremoso, registrando temperaturas que oscilan entre los 0°C en temporada invernal y los 50 °C en temporada de verano, la altitud relativa oscila los 300 msnm, los equipos se encuentran totalmente expuestos a la intemperie o parcialmente encapsulados, cabe mencionar este dato en virtud de que esto representa considerables esfuerzos mecánicos en los equipos y tienen inferencia directa en el comportamiento tanto del desempeño como de la degradación de la vida útil, así como en las diferenciales de temperatura que se originaran en el arranque de los motores.1 Tipo de sistema El sistema se encuentra alimentado a través de transformadores reductores de 6900 V a 480 VCA, conectados en delta-estrella, la parte de baja se 20 Fig. 1. Diagrama unifilar típico. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. I0 mide la suma de las tres corrientes de fase, esta comúnmente se refiere como corriente residual y su ecuación característica es: Ir=3I=IA+IB+IC (1) La ventaja de los elementos de I0 son la amplia cobertura a fallas resistivas, su simplicidad para el ajuste y que no son afectadas por la corriente de carga ya que el impacto sobre I0 es pequeño,3 no obstante cabe mencionar que es susceptible a las variaciones en las fuentes de alimentación, además del desbalance normal del sistema. Modelo de la falla a tierra En el modelado de la falla a tierra es importante analizar los efectos de diferentes tipos de aterrizaje a fin de predecir los efectos de las fallas a tierra del sistema. El modelo más común es el que involucra a las componentes simétricas,1 y particularmente el uso del circuito de corriente de secuencia cero. Históricamente el vector de corriente de secuencia cero I0 y el V0 han sido usados con los relevadores para la protección de falla a tierra. Parte del motivo por el cual se han usado por un largo tiempo se debe a que los valores de secuencia cero son directamente proporcionales a la suma de las tres fases y las tres corrientes como podemos apreciar en las ecuaciones. (2) (3) Al observar las ecuaciones se puede entender el principio de funcionamiento de la sobrecorriente residual, por lo que es necesario analizar el contexto en el que se desarrolla la aplicación del motor eléctrico para poder entender la relación respecto a la operación de la protección eléctrica, no obstante debido a que el caso de estudio se encuentra enfocado en la operación de la protección residual, es pertinente que avancemos analizando las causas que pueden ocasionar que se generen las corrientes de secuencia cero. EFECTOS DE I0 EN MOTORES Habitualmente los efectos de las fallas eléctricas incipientes no son fácilmente perceptibles, por lo cual cuando se hace evidente un problema eléctrico, Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Fig. 2. Principales causas de falla: (a) EPRI; (b) IEEE. se considera que el mecanismo de evolución del daño será muy agresivo,4 y se podrá sospechar de una falla inminente en el equipo en un intervalo de tiempo que normalmente será corto. Dentro de la categorización de fallas tanto EPRI como de IEEE, ya que en motores de inducción la segunda falla más común se encuentra en el estator, misma que se encuentra caracterizada por tener un mecanismo degenerativo originado en el corto circuito entre espiras de una misma fase, hasta que trasciende a una falla más severa que produce la falla final.5 Las principales causas de falla pueden ser observadas en las gráficas tanto de EPRI como de la IEEE.6,7 A su vez, las fallas en las que se encuentra implicado el corto circuito en el devanado, regularmente se encuentra asociada con un cambio en la corriente de secuencia negativa, así como en la impedancia de secuencia inversa, los componentes de secuencia de un motor se encuentran dadas por8 (4) Los índices p, n y o, representan la secuencia positiva, negativa y cero respectivamente en tanto en fasores de corriente como de tensión, Zij representa la impedancia de secuencia i debido a la secuencia j. 21 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. Comúnmente los motores son alimentados como se aprecia en la figura 4, sin neutro, por tal motivo la corriente de secuencia cero es nula y la ecuación puede ser reducida a: (5) Cabe destacar que In es sensible a las variaciones de la fuente, las asimetrías del motor y de la carga. Al existir una falla, la impedancia de la matriz se verá afectada debido a la asimetría que experimenta el motor, de modo que la falla se puede detectar mediante la comparación de In de motor y fuente sin falla, y la In con falla; la desviación entre estas dos variables será un indicador de falla, así mismo para el cálculo de la impedancia de secuencia inversa se puede emplear la siguiente fórmula:9 Fig. 3. Fallas en las que se encuentra implicado el corto circuito en el devanado. (6) El arranque de un motor eléctrico supone un esfuerzo electromagnético de una magnitud tal que consume una corriente lo suficientemente grande como para iniciar la rotación de un eje, en el que pudiera llegar a darse el caso de que por condiciones propias del proceso en el que se encuentre inmersa la maquina en cuestión, se pudiera encontrar cargado o sobrecargado, y dado que el arranque del motor representa un subtransitorio de hasta 10 veces la corriente a plena carga seguido de un transitorio de entre 6 y 7 veces la corriente nominal, lo que origina la demanda de una gran cantidad de corriente que se verá traducido en un hueco de tensión con una duración determinada por el tiempo de arranque del motor. Cabe considerar que la puesta en marcha de un motor produce un incremento en la potencia activa del circuito en el cual se encuentra alojada la máquina que está arrancando, el motor de inducción presenta grandes efectos sobre los huecos de tensión con la peculiaridad de una perturbación subsecuente derivada de la aceleración de la máquina (ver figura 5). En el instante en que un transformador es energizado se tiene la aparición de transitorios de flujo magnético derivado de la demanda de corriente implicada en la magnetización, a su vez esta corriente consumida por el transformador puede tener su origen en tres causas principales que a continuación son enunciadas: 22 Fig. 4. Conexión típíca de un motor. a) La energización que tiene lugar cuando un transformador previamente desenergizado vuelve a ser alimentado. b) La recuperación originada por la recuperación del nivel de tensión normal posterior a un abatimiento de tensión originado por un transitorio en el sistema. c) Empatía (sympathetic inrush) originada por la operación paralela de dos transformadores, con la peculiaridad de que este tipo de consumo de corriente se encuentra asociada a un periodo de recuperación más lento que las anteriores debido a sus características inusuales y la generación de armónicos de voltaje11 (ver figura 6). Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. Cabe mencionar que la corriente de energización del transformador presenta gran asimetría resultante de la saturación del núcleo del transformador ocasionada por el crecimiento excesivo del flujo magnético en una sola dirección.12 Una característica de los huecos de tensión cuando son originados por el inrush de transformadores, es el desbalance que presenta entre el voltaje de fase y los armónicos inyectados por el transformador, y esto constituye la diferencia comparativa con relación a los huecos ocasionados por los motores, ya que la recuperación del hueco tiende a seguir la curva de aceleración por lo que presenta una característica tipo exponencial con la diferencia de no inyectar armónicos a la red, caso que tiene lugar con los transformadores.10 Fig. 5. Hueco de tensión originado por la puesta en servicio de un motor eléctrico.10 Fig. 6. Formas de onda típicas de las corrientes (a) de inrush y (b) de inrush de empatía. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Perturbaciones de tensión De acuerdo a 13 las perturbaciones se encuentran catalogadas en tres grupos generales: a) Variaciones en el valor RMS de voltaje o corriente. b) Perturbaciones transitorias, a su vez contiene la siguiente subdivisión a. Transitorios b. Variaciones de corta duración c. Variaciones de larga duración d. Desbalances de voltaje o corriente e. Distorsión en la forma de onda f. Fluctuaciones de tensión g. Variaciones de frecuencia c) Deformaciones de la forma de onda. En el caso concreto de los huecos de tensión, estos se encuentran categorizados en perturbaciones de corta duración no repetitivas o transitorias caracterizadas por un voltaje residual referido al voltaje inicial que se denomina profundidad, y una duración temporal. Un hueco de tensión es una disminución de potencial que se encuentra entre el 90% y el 10% de la nominal entre fases, que se encuentra acompañada de una subsecuente recuperación posterior a un breve intervalo que típicamente se encuentra entre los 0.5 ciclos y 1 minuto, dicho fenómeno puede tener su origen en: descargas atmosféricas que afectan a un sistema concreto, maniobras en alta tensión que inestabilicen los flujos de potencia, variaciones de carga por energización de equipo eléctrico y fallas de corto circuito.13 Efectos de los huecos de tensión en motores de inducción y su relación con la operación de la falla a tierra Las perturbaciones de tensión tienen un efecto sobre los motores de inducción, entre las perturbaciones mas importantes que podemos encontrar los armónicos, los huecos de tensión y desequilibros de tensión. El efecto que tienen los armónicos en los motores de inducción es el de afectar variables como: corriente, par-velocidad, factor de potencia, eficiencia y potencia, con las consecuentes reducción 23 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. a su vida útil.14 Dicho fenómeno no es estudiado tan extensamente en el presente documento, en virtud de que la topología de la red en cuestión tiene mayoritariamente cargas inductivas, además de que la utilización de agentes generadores de armónicos es relativamente baja, contrastado con el hecho de que la fuente de energía se encuentra “aguas arriba” con sólo un nivel de tensión de transformación. Hablando del término concreto de los huecos de tensión, encontramos sus definiciones como: *Disminución brusca de alimentación a un valor situado entre el 90% y el 1% de la tensión declarada Ucm seguida del restablecimiento de la tensión después de un corto lapso de tiempo. Por convenio, un hueco de tensión dura de 10ms a 1min. La profundidad de un hueco de tensión es definida como la diferencia entre la tensión eficaz mínima durante el hueco de tensión y la tensión declarada. Las variaciones de tensión, que no reducen la tensión de alimentación a un valor inferior al 90% de la tensión delcarada Uc no son consideradas como huecos de tensión.15 *Disminución de tensión o la intensidad, en un valor eficaz, entre 0.1 y 0.9 PU a la frecuencia de la red, para duraciones comprendidas entre 0.5 ciclos y 1 minuto.13 Los huecos de tensión ocasionan sobrecorrientes transitorias, súbitos incrementos del par y también pueden ocasionar pérdida de velocidad, 16 así mismo si los huecos son simetricos estos tienen una dependencia directa con la profundidad y la duración del hueco, en tanto que los huecos asimétricos tienen relación con el punto en que inicia el evento, tal es el caso del arranque de un motor que presenta asimetría la impedancia, para efectos prácticos mediante simulaciones se pueden apreciar la recuperación del nivel normal de tensión una vez que el motor alcanza su velocidad nominal.17 Los sistemas de tensión con desequilibrio es un caso muy común tanto en instalaciones industriales como en el seno de la misma central generadora, y esta condición tiene efecto directo sobre el rendimiento de la máquina, en tanto que el motor propiamente aporta reactivos18 que se traduce en el equilibrio de tensión de la red además se documenta el hecho de que el aumento de niveles de carga en los motores de inducción modifica el factor de desequilibro de 24 secuencia negativa de tensión (VUF) en el punto de conexión, en comparación con los motores de inducción de carga ligera.19 Otra conclusión importante es que las variaciones en el deslizamiento del motor tienen efecto sobre el voltaje o corriente de secuencia positiva en el punto de evaluación mientras que el valor de secuencia negativa permanece casi constante, entre los efectos nocivos que se pueden tener derivados de esta condición podemos mencionar el corto entre espiras.20-22 Cabe destacar que existen estudios en los que se relaciona la tercer armónica de la componente fundamental con la magnitud de la corriente y el votaje de alimentación para inferir el porcentaje de falla del aislamiento en diferentes condiciones de carga, esto derivado de desbalances de voltaje,21 dicho desequilibro puede tener efecto sobre el par y la corriente generando alto rizado en el par de torsión, dicho efecto se puede traducir a la interrupción de la operación de los equipos23 y derivado del debalance de corriente se tendrán salidas de equipo derivados de la operación del respectivo esquema de protección, cabe destacar que también se tienen efectos en la potencia aprovechada por el proceso, con el consecuente impacto económico debido que desequilibrios de un 5% pueden ser traducidos en una disminución de la eficiencia de entre 1 y 3%.24 Adicionalmente la operación de un motor en condiciones de desbalance de corriente trae como consecuencia una creciente diferencial de temperatura que implica otra fuga de potencia.25 Al respecto, los huecos de tensión pueden ser caracterizados por medio de dos métodos, uno llamado Clasificación ABC y otro que se conoce como clasificación de componentes simétricas, por cuestiones de simplicidad y utilización en la literatura especializada, se enuncia el que corresponde a la clasificación ABC. A continuación observamos las siete tipologías generales en las que se engloban los huecos de tensión: Se encuentra sustentado que en un motor, la contribución de potencia reactiva debido al enlace de flujo magnético atrapado en el motor, evita un colapso en el voltaje y da como resultado un hueco de tensión no rectangular, por su parte el torque negativo inducido durante el intervalo de falla ocasiona la pérdida de velocidad en conjunto con el esfuerzo Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. mecánico que representa en si la carga impulsada por el motor, lo cual prolonga el tiempo de reaceleración y aumenta el tiempo de retardo en la recuperación de voltaje.18 Cabe mencionar que en los motores trifásicos de inducción el par electromagnético se encuentra en función del cuadrado de la tensión del estator,26 lo cual confirma la sensibilidad ante los huecos ya que se ve comprometida la estabilidad en la velocidad frente a una variación de tensión de la red de alimentación. Fallas en devanados Cuando un motor presenta espiras en corto circuito, se ve modificada la impedancia efectiva de secuencia inversa,27 dicho parámetro tiene una gran utilidad como indicador de falla en las bobinas, y en conjunto con la teoría de componentes simétricas, represente una herramienta de diagnóstico de fallas.28 En términos prácticos, los niveles de tensión que pueden ser observados en campo, hacen manifiesto el hecho de que se operan en condiciones de desequilibrio tanto de voltaje como de ángulos de fase. El análisis de un motor de inducción que se encuentra en un sistema desequilibrado puede ser modelado en base a su circuito equivalente de secuencia directa e inversa. En la figura 8 observamos un circuito equivalente donde las variables Rs y Rr representan las reactancias de estator y rotor respectivamente. Las reactancias de dispersión de estator y rotor y la reactancia de magnetización corresponden a Xs, Xr y Xm respectivamente. La componente variable de la resistencia del rotor Rl1, es la que hace posible el cálculo de la potencia mecánica del motor como una función del deslizamiento del rotor (S). (7) resultante puede ser observado en la figura, donde la impedancia es expresada como: (9) En donde podemos observar que ya no es tan afectada por los cambios de deslizamiento dicho evento es apreciable en la siguiente ecuación: (10) Y debido que la mayoría de los motores de inducción tienen poco deslizamiento (del orden del 3%), cabe destacar que la impedancia de secuencia negativa es mucho menor que la impedancia positiva, por lo que para un nivel bajo de tensión de secuencia inversa, circula un nivel relativamente Dicho parámetro se encuentra afectado por los cambios de deslizamiento, tal como se observa en la función derivada. (8) Por el hecho de que el campo de secuencia inversa se encuentra contrapuesto con el campo directo, el equivalente del circuito se obtiene al sustituir, S, en el circuito de secuencia directa por (2-S), y el circuito Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Fig. 7. Siete tipologías generales en las que se engloban los huecos de tensión. 25 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. Fig. 8. Circuito equivalente de secuencia positiva del motor de inducción. alto de secuencia inversa, lo que ocasiona que al monitorear la corriente en línea, está sea afectada por pequeños desequilibrios de tensión y por tal motivo oculte una falla incipiente, también se puede observar que la impedancia de secuencia inversa es poco sensible a los cambios de deslizamiento, por lo que la impedancia de secuencia inversa es constante a las variaciones de carga y al flujo de corriente de secuencia inversa. Dicha impedancia se calcula al obtener el cociente entre la componente de secuencia inversa de voltajes y la componente de secuencia inversa de corrientes, como se ve en la ecuación. Fig. 9. Circuito equivalente de secuencia negativa del motor de inducción. (11) Donde: V r2 e I r2 son las componentes de secuencia inversa de voltajes y las corrientes respectivamente, calculados con la teoría de componentes simétricas como se ve en las ecuaciones. (12) (13) Cuando el aislamiento comienza a tener daños, se tiene una pérdida de la simetría en las impedancias, por lo que se presenta un afluente de componentes de distinta secuencia, ocasionando caídas de voltaje atribuibles a la circulación de componentes de cualquier secuencia. Por tal motivo la Z2ef se puede 26 ver alterada frente a fallas incipientes, y en base a experimentación han concluido que la impedancia de secuencia negativa presenta una tendencia de evolución determinado por el daño del aislamiento del estator, con lo que se asevera que el módulo cambia de valor frente a un corto, aun cuando este solo tenga efecto sobre un par de espiras. Fallas en estator y su detección mediante corrientes de secuencia negativa Dentro de las fallas ocurridas en el estator de un motor de inducción, ocupa un papel preponderante la falla por cortocircuito entre espiras, ya que el aislamiento entre dos espiras de una misma bobina suele ser el más frágil, y bajo ciertas condiciones de operación, puede estar sometido a grandes esfuerzos electromagnéticos y/o térmicos; esto lo convierte en el elemento más débil del sistema de aislamiento de un motor, adicionalmente pueden existir factores externos como la abrasión que puede estar determinada por el tipo de contaminación en el que se encuentra el equipo. Las consecuencias de un cortocircuito entre espiras pueden ser catastróficas, porque aparece una corriente circulante localizada de un valor significativamente alto (varias veces la corriente nominal), que no se refleja en los terminales del motor y que produce un efecto de aumento local de la temperatura. El incremento de temperatura hace que el aislamiento exterior se deteriore progresivamente, lo que lleva en poco tiempo a un cortocircuito de mayor magnitud, como el que ocurre entre fase y tierra o entre bobinas de diferentes fases dentro de la misma ranura.29 El signo exterior de la falla es operación de la protección de falla a tierra, pero el factor determinante de la falla incipiente es la degradación degenerativa del aislamiento entre espiras. En condiciones en que existiera una buena simetría, se esperaría que el voltaje y la corriente de secuencia negativa fueran nulos, no obstante, en el sistema puede ser inducida una corriente de secuencia negativa que puede tener su origen en la asimetría natural del devanado del motor producto del modo de embobinado, además que es un proceso fuera de medición puesto que implicaría el control de la cantidad de cobre en cada fase del estator. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. Si la fuente de alimentación no presenta balance en los voltajes, se genera una componente de secuencia negativa que induce una corriente desbalanceada y que genera una componente de corriente negativa circulante por el devanado. La corriente total de secuencia negativa puede ser calculada por: (14) Donde: Isf: componente de la corriente generada por la condición de falla. I0n: corriente de secuencia negativa debida a imperfecciones, defectos de fabricación o bobinado inherentes al motor, es decir, no relacionada con la situación de falla o de alimentación asimétrica. Ivuf: corriente de secuencia negativa asociada al desequilibrio de tensiones de alimentación expresado a través del coeficiente VUF como indicador de dicho desbalance.13 (15) Las componentes de resistencia y reactancia del rotor se refieren al estator usando el deslizamiento, las pérdidas en el núcleo son despreciables al sustituir una rama de magnetización por una reactancia.30 La componente variable de la resistencia del rotor reflejada representa la potencia mecánica del motor en la secuencia positiva y negativa respectivamente (Rp y Rn). La resistencia Rr es la resistencia de rotor bloqueado obtenido en la prueba del mismo nombre según aparece en.31 La relación entre resistencia de secuencia positiva y negativa es alta, es decir, aún que se tenga un voltaje de secuencia negativa bajo, se genera corriente de secuencia negativa alta en donde existe bajo deslizamiento. No obstante, si observamos en el circuito de secuencia negativa, la reactancia del devanado del rotor, esta es proporcional al doble de la frecuencia de alimentación, con lo que se limita la corriente de secuencia negativa por el rotor, y con ello su consecuente valor reflejado al estator, de modo que un incremento en el factor de desblance de voltaje se refleja como un incremento proporcional en la corriente de secuencia negativa. La constante de proporcionalidad se encuentra en función a los parámetros de diseño y construcción del motor.32 Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 CONCLUSIONES Con base a la presente investigación y a los fenómenos observados en campo se argumenta que la corriente de secuencia negativa es un indicador de las fallas en el devanado del estator por cortocircuito entre espiras, por lo que puede ocasionar la operación de la protección de sobrecorriente a tierra de manera asertiva pero debe descartarse la circulación de dicha corriente, ocasionada por otros problemas como el desbalance de tensiones en la alimentación del motor. El desbalance de tensiones, aun en pequeña escala, impulsa corrientes de secuencia negativa de magnitud considerable, comparable a la corriente de falla ocasionada por un cortocircuito entre espiras. Haciendo un uso del principio de transitividad de la implicación, y observando el fenómeno que tiene lugar en un motor eléctrico cuando este es sometido a un hueco de tensión, las variables que se ven afectadas son el torque y velocidad, por lo que, cuando por causas atribuibles al sistema al cual se encuentra acoplado el motor, se realizan modificaciones a las caracterisitcas normales de operación, se esperaría que se tuviera un respuesta en el lado de la alimentación, que pudiera encontrarse relacionada con la sobrecarga del circuito derivado en el cual se encuentra alimentado el equipo, ocasionando la operación de la protección de sobrecorriente a tierra, sin que esta tuviera un indicativo concreto de la falla incipiente en un motor, esto con términos no limitativos, puesto que un fenómeno de esta naturaleza con un patrón repetitivo, influye directamente en que se generen las fallas a largo periodo. La operación de la protección de falla a tierra, se encuentra acompañada de una posible indicación de falla final del aislamiento que en algunos casos, si es debidamente detectable, puede ser reparable para incrementar la vida del equipo, estos casos son: • Cuando opera la falla a tierra y que se encuentra acompañado de un desbalance muy grande de corriente, que puede ser indicativo de un empalme flojo, o terminales del motor mal ponchadas, o bien mala conexión del motor. • Cuando la falla a tierra se encuentra acompañada de una lectura de aislamiento que gira en 27 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. torno a los megaohms, que pudiera ser indicativo de un aislamiento recalentado, donde se puede rescatar el equipo a través de un mantenimiento bien aplicado. • Cuando la falla a tierra se encuentra franca y se tiene una lectura de kilo ohms y hasta cientos de ohms, y cuando el equipo en cuestión se encuentra inmerso en un ambiente con un alto grado de humedad, en este caso el equipo detectado a tiempo, le pueden ser restituidas las condiciones de operación mediante la aplicación de calor al devanado. 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Algunos criterios basados en magnitudes y cambios de los voltajes y corrientes, componentes simétricos o impedancias se aplican en paralelo. Los resultados de cada criterio individual se ponderan y se combinan para obtener el resultado final para la selección del lazo con falla. Con este principio de eficiencia, la selección del lazo ha sido optimizada para diferentes topologías de red mediante el cambio en la ponderación de cada criterio. Se aplica el mismo principio al elemento direccional. PALABRAS CLAVE Redes inteligentes de protección, relevo de protección. ABSTRACT This paper presents a new design of distance protection which perfectly fits to the requirements of the smart grid of the future, regarding selectivity and dependability. The impedance measurement is based on the calculation of the load compensated fault reactance X and from line resistance separated fault resistance. This method is applied for phase to ground as well as phase to phase faults. Separation of the fault resistance improves the accuracy of the impedance calculation. The method reduces the negative influence of fault resistance during high load flow and minimizes the risk of wrong pickup during high load condition. Several criteria based on magnitudes and changes of voltages and currents, symmetrical components or impedances are applied in parallel. The results of each single criterion are weighted and combined to get a final result for the selection of the faulted loop. With this principle the efficiency, the loop selection has been optimized to different network topologies by changing the weights of each criterion. The same principle is applied to the directional element. KEY WORDS Smart grid distance protection, protection relay. 30 Artículo publicado en el XII Simposio Iberoamericano sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia, 2015. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. INTRODUCTION Distance protection is used worldwide to protect the lines for the transmission and distribution of electrical energy against consequences of electrical faults. The distance protection has to detect these faults and initiate a trip command to isolate the faulted line. Fig. 1. Basic principle of distance protection. These faults can be phase to phase which are short circuits between different phases or phase to ground which are short circuits between one or more phases and ground. In most cases there will be an arc flash between the faulted phases or between phases and ground. Figure 1 illustrates the basic principle of distance protection. The distance protection D determines the fault impedance ZF from the voltage UA and the current IA measured at the relay location according to Ohm’s law: (1) The measured fault impedance Z F will be compared afterwards with the so called zone setting resulting from the line impedance. If the fault impedance is less than the configured setting the fault is on the line. In this case a trip command is issued to the local circuit breaker CB to isolate the faulted line from system operation as shown in figure 1. Fig. 2. Principle of stepped distance protection. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Figure 2 shows the principle of a stepped distance protection. For the selectivity it is important that only the faulted line is separated from operating network. That means that the relay D1 in 2 should only issue a non-delayed trip command if the fault is inside the protected zone Z1. Due to some uncertainty of the network parameters as well as measurement errors, this zone is normally configured to 80% of the protected line. Faults on adjacent lines should be tripped by the related relays D2 or D3 in 2. The relay D1 works only as a backup function for faults on these lines. Most faults on transmission and distribution lines are not pure metallic faults but faults with a so called fault resistance like shown in 3. This fault resistance can be an arc flash for phase to phase faults or the combination of an arc flash and the grounding resistance for phase to ground faults. Fig. 3. Single phase diagram for a resistive fault. In reality the model of an arc flash is much more complicated but for simplicity it will be modeled as a fault resistance RF in this paper. In case of faults including resistance RF, the equation for the faulted loop can be obtained based on 3 as follows: (2) According to (2), the impedance measured by the distance protection consists of two parts. The first part m*ẔL is the impedance of the line between the relay and the point of the fault. The second part RF is the fault resistance, representing the resistance of the arc flash for phase to phase faults or the combination of an arc flash and the grounding resistance for phase to grounding resistance for phase to ground faults. Figure 4 shows the graphical representation of both impedances in the complex plane. The phasor of m*ẔL is shown at the line angle which is close to 90° for high voltage overhead lines. The phasor representing fault resistance RF is added in parallel to the R-axis. 31 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. Z2 is delayed by 300 ms to have a backup function. The green marked zone Z4 is a backup zone for the reverse direction and the black marked zone Z5 is another unidirectional backup zone. The distance protection has the great advantage of selectivity which can be achieved by local measurement only without any communication. IMPEDANCE MEASUREMENT ON HEAVY LOADED LINES The classical impedance measurement according to (2) is only accurate for lines with single ended infeed as well as without significant load. Fig. 4. Graphical representation resistive fault in the complex plane. Depending on the fault position m the fault impedance m*ẔL can vary between zero for faults close to the relay and 0.8*ẔL for faults at the end of the protected zone. The polygonal characteristic is the best choice because this characteristic has a constant reach in R-direction for all faults on the protected line. Fig. 5. Typical polygonal characteristic of a stepped distance protection. Figure 5 represents a typical polygonal characteristic of a stepped distance protection. According to the principle explained in 2 the red marked zone Z1 is responsible to detect faults up to 80% of the protected line. In this case a non-delayed trip command is issued. The blue marked zone Z2 has the same reach in R-direction but can detect faults up to 150% of the protected line. Normally zone 32 Fig. 6. Single line diagram for a resistive fault, feeded from both ends of the line. Figure 6 shows the single line diagram for a resistive fault, feeded from both ends of the line. In this case the fault current IF is the sum of the fault current IA from the local end and the fault current IB from the remote end. The local relay at bus A can only measure the current IA from the local end. But with regard to 6 the fault current from the remote end causes an additional voltage drop at the fault resistance RF (3) This additional voltage drop caused by the fault current from the remote end has an impact on the accuracy of impedance measured by the distance protection at bus A. This voltage drop results in an additional impedance component which depends on the relation between the local fault current IA and the fault current ḻB from the remote end. (4) According to (4) this additional impedance is increasing with increasing fault current contribution from the remote end. The additional impedance can have a reactive component if the fault currents IA and ḻB have different angles. This reactive component will result in a measuring error ΔX if the classical Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. impedance measuring method (2) is applied in distance protection: (5) Transmission of active power requires a phase difference between the voltages of the equivalent sources at sending and receiving end. During load flow the phase angle of the sending end leads the phase angle of the receiving end. In case of a fault the phase angles of the fault current contributions from both ends are related to the phase angles of the feeding voltages in a first approach. teleprotection. 9 illustrates the measured impedance in the complex plane. The fault was applied at 50% of the line length but according to the principle explained in 7 the measured impedance is located outside the red marked zone Z1 which is configured to 80% of the line length. According to (5) the phenomenon of overreach or underreach for resistive faults only effects heavy loaded lines with infeed from both ends. In the past this effect was compensated by changes to the characteristic of the zones. Fig. 7. Influence of the remote end infeed on the impedance calculation of a resistive fault using the classical impedance calculation method. Figure 7 illustrates the influence of the load flow on the calculated impedance of a resistive fault using the classical impedance calculation method. In case of load export the phase angle of IA leads the phase angle of IB. According to (5), ΔX becomes negative for a normal load angle of 30° which results in an overreach of the distance protection. A simulated case from the network of Colombia is used to explain the opposite case. A fault ABN with 5 Ω fault resistance is applied at 50% line length of a heavy loaded line. This case was tested with a distance protection relay using the classical impedance calculation method. Referring to 8 there is a load import of 122 MW before the fault occurred. At fault inception the load flow is changing the direction to feed the fault from the local source. The binary signals indicate that this fault was not seen in zone Z1 even if the fault was applied at 50% of the line length, whereas the reach of zone Z1 was configured to 80% of the line length. A trip command was issued by the overreach zone Z1B supported by the receive signal from Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Fig. 8. Fault record of a resistive fault at 50% of the line length which is not seen in Z1 using the classical impedance calculation method. Fig. 9. Impedance plane of a resistive fault at 50% of the line length which is not seen in Z1 using the classical impedance calculation method. 33 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. Today and in the smart grids of the future such a static compensation is not sufficient because the load often changes in magnitude or direction. IMPEDANCE MEASUREMENT WITH LOAD COMPENSATION The general idea of the impedance measurement with load compensation is the elimination of the reactance measurement error ΔX given in (5). According to 6, ec. (3) can be written in the following form: (6) To eliminate the reactance measurement error ΔX caused by the fault resistance RF multiplied with the complex fault current IF, eq. (6) will be multiplied with a compensation quantity which is the conjugate-complex value of the fault current IF. This compensation quantity consists a compensation current ICmp which should be already very closed to IF and a compensation angle δCmp for the final adjustment (7) Due to the multiplication of IF with its conjugatecomplex replacement the term RF*IF* I*Cmp*e-jδCmp becomes a real value. For the calculation of the fault Fig. 10. Sequence network for a single phase to ground fault. 34 reactance only the imaginary part of (7) needs to be considered (8) Solving for X, which is the imaginary part of m*ZL, we get (9) It is shown, that the zero sequence current I0 or the negative sequence current I2 can be used as a compensation current for the fault current IF because they are not influenced by load flow. In case of different impedance angles in the zero or negative sequence network a final adjustment can be done using as example for the zero sequence. (10) Using this compensation angle δCmp,0 the measured zero sequence current I0,A can be adjusted to the angle of the fault current IF if the zero sequence impedances Z0,A, Z0,B and Z0,L have different angles. IMPEDANCE MEASUREMENT FOR PHASE TO PHASE LOOPS USING REACTANCE METHOD The basic idea to compensate the influence of load flow can be extended to phase to phase faults. 11 Fig. 11. Sequence network for a phase to phase fault. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. shows the current flow for a phase to phase fault with the fault resistance RF in the sequence network. For a phase to phase fault the negative sequence network is connected in parallel to the positive sequence network. Since the zero sequence component does not exist for a phase to phase fault and the positive sequence network includes the sources only the negative sequence current can be used as compensation quantity. The determination of the compensation quantity for phase to phase faults will be explained using an AB fault as example. For an AB fault the fault current IF is the difference between the current of phase A and the current of phase B (11) Replacing the phase currents by the sequence components we get the following result: (12) For the AB fault the relation between positive sequence current and negative sequence current is given as: (13) Considering this transformation factor the compensation current for the AB fault based on the negative sequence current can be derived: (14) For other fault types the compensation quantity will be determined accordingly. In case of different impedance angles in the negative sequence network a final adjustment can be done using Fig. 12. Impedance plane for a resistive fault at 50% of the line length which is seen in Z1 using impedance calculation according to the reactance method. lines a trip command in zone Z1 for the fault simulated for a network in Colombia is issued as shown in 13. According to 1 the method of reactance compensation can also be applied for 3 phase fault using the adequate compensation quantity. MULTICRITERIAL LOOP SELECTION The proper selection of the faulted loops is a precondition for each distance protection algorithm. Different criteria are applied to select the faulted loops like: (15) The exact reactance for a resistive fault AB on heavy loaded lines can be calculated using the following equation. (16) This method was applied to the fault explained in section 2. As shown in 12 the fault is seen in zone Z1 using the impedance calculation based on the reactance method. Consequently with the new method of reactance compensation for resistive faults on heavy loaded Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Fig. 13. Fault record of a resistive fault at 50% of the line length which is seen in Z1 using impedance calculation based on the reactance method. 35 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. • magnitude of currents and delta currents, • magnitudes of voltages and delta voltages, • impedances, • symmetrical components. In the past these different criteria were applied in form of a decision tree like illustrated in 14. This decision tree was optimized to get the final result as fast as possible. Due to the structure of the decision tree not all criteria are evaluated to get a final result. From 14 it is obvious that a wrong loop can be determined if only one criterion gives a wrong result. Sometimes the result of a single criterion is not very strong but in the decision tree it must be reduced to binary information. Additional to this it was shown by simulations and analysis of real events Fig. 16. Quality of criteria voltage. are applied in parallel creating the so called multicriteria loop selector. Each criterion can have an output quality which is a value between 0.0 ---which means the criterion is not fulfilled--- and 1.0 ---which means the criterion is completely fulfilled. Figure 16 gives an example of the output quality of the voltage criterion. A strong voltage drop in case of a fault results in a high quality of the voltage criterion for the related loop. If the voltage drop is Fig. 14. Decision tree as classical structure for the loop selection. that different criteria have different importance for different network topologies. All these considerations lead to another structure of the loop selection like shown in 15. With the new concept all criteria of loop selection Fig. 15. Multi-criteria loop selection. 36 Fig. 17. Quality of criteria impedance. only marginal the quality of the voltage criteria of the related loop will have a low quality. Figure 17 illustrates the output quality of the impedance criterion. If the measured loop impedance is closed to the zone limit the quality of the impedance criteria is low. However if it is clear that the impedance is in the zone the related quality is high. According to equation (17) a final quality Qloop for each loop will be calculated. The weighted quality outputs of N criteria qi,loop will be summated to get the final quality Qloop. (17) Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. Fig. 18. Calculation of loop quality. Fig. 19. Weights of multi-criteria loop selector depending on different infeed. Figure 18 gives a graphical explanation of equation (17). It is shown that each criterion is weighted according to its significance. It was found by simulations and analysis of real events that depending on network topologies different criteria have different significance. Figure 19 gives an example for the best adaption of the weights for a network with strong infeed compared to a network with weak infeed. It is obvious that the current based criteria have a higher weight in a network with strong infeed however the voltage based criteria have a higher weight in networks with weak infeed. By implementing the Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Fig. 20. Operation of the multi-criteria loop selector. weighting factors between the boundaries shown in 19 the loop selection is optimized for all system conditions. Figure 20 illustrates the operating principle of the multi-criteria loop selector. After fault inception the qualities for all loops are calculated. A loop is selected if the quality of the loop extends an adaptive threshold like shown in figure 20. CONCLUSION It was shown that the reach of the classical impedance calculation method is significantly influenced by resistive faults on heavy loaded lines. Using the reactance method this reach error can be eliminated. Additionally a new method of loop selection was presented which is optimized for all network topologies. The same philosophy is applied for directional element where different algorithm are weighted and depended on network topology. BIBLIOGRAFÍA C. Dzienis, Y. Yelgin, G. Steynberg, et al., Novel impedance determination method for phase-tophase loops, 18th Power Systems Computation Conf., Aug. 2014. 37 �La carga de espacio en materiales híbridos Martín Edgar Reyes Melo, Jesús Gabino Puente Córdova, Beatriz López Walle Universidad Autónoma de Nuevo León CIIDIT-FIME mreyes@gama.fime.uanl.mx RESUMEN Utilizando el marco teórico del módulo eléctrico complejo, M*, se analizaron resultados experimentales de la permitividad eléctrica compleja, εr*, para una matriz polimérica de PVB y un material híbrido (PVB-Fe2O3), lo que permitió identificar de manera clara el fenómeno de carga de espacio. A partir de los diagramas isocrónicos de las partes real e imaginaria de M*, se obtiene como resultado que la dispersión de nanopartículas de Fe 2O3 disminuye considerablemente la carga de espacio del PVB. Por otra parte, la manifestación eléctrica de la transición vítrea del PVB se desliza hacia las altas temperaturas en el material híbrido; la temperatura de transición vítrea aumenta considerablemente de 70 a 90°C. PALABRAS CLAVE Carga de espacio, PVB, nanopartículas magnéticas, dieléctricos. ABSTRACT Using the theoretical framework of the complex electric modulus, M*, experimental results of the complex permittivity, ε r*, were analyzed for a polymeric matrix of PVB and a hybrid material PVB-Fe2O3. By this analysis, it was possible to clearly identify the space charge phenomenon. From isochronous diagrams of the real and imaginary parts of M*, it was obtained that the dispersion of Fe2O3 nanoparticles result in a reduction of the space charge of the PVB. On the other hand, the electrical manifestation of the glass transition of the PVB shifts to high temperatures in the hybrid material; glass transition temperature increases considerably from 70 to 90°C. KEYWORDS Space charge, PVB, magnetic nanoparticles, dielectrics. INTRODUCCIÓN Los avances científicos en nanotecnología, 1,2 permiten la síntesis de nanopartículas cuya estructura define propiedades diferentes, y potencialmente superiores, a las exhibidas por tamaños de partícula mayores a su escala mesoscópica.3-5 Tal es el caso de nanopartículas de Fe2O3 que, con un tamaño característico alrededor de 20 nm, presentan propiedades de superparamagnetismo.4-9 38 Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. Cabe mencionar que el proceso de síntesis para estas nanopartículas requiere de un proceso de dispersión en algún medio para evitar su aglomeración. En este sentido, los polímeros constituyen una alternativa importante, ya que la dispersión de nanopartículas en películas delgadas de dicho material genera un tipo de material híbrido en el cual las propiedades que ofrecen las nanopartículas magnéticas de manera individual, se combinan con la elasticidad entrópica de la matriz polimérica. Bajo este contexto, en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, se sintetizó un material híbrido magnético a base de nanopartículas de Fe2O3 dispersas en una matriz polimérica de polivinil butiral o PVB. En el proceso de síntesis de este material híbrido, se estableció como principal objetivo producir películas delgadas, mecánicamente flexibles y sensibles a campos magnéticos.7,8 Este material híbrido (PVBFe2O3) puede deformarse de manera controlada bajo la acción de un campo magnético,9 debido a que dicho campo interacciona con el momento magnético de las nanopartículas dispersas y, éstas a su vez, transmiten la fuerza magnética a la matriz polimérica a través de las interfaces nanopartícula-polímero. Por lo anterior, se establece que el PVB-Fe2O3 ofrece importantes aplicaciones en las áreas de ingeniería eléctrica, electrónica y mecatrónica.8-11 Sin embargo, a pesar de los logros obtenidos, todavía se tienen interrogantes por resolver, las cuales están relacionadas con un fenómeno de polarización interfacial, también conocido como carga de espacio. El comportamiento eléctrico y, por ende, las propiedades eléctricas (conductividad y permitividad) son muy diferentes entre las nanopartículas de Fe2O3 y el PVB y, se ha demostrado que, para un sistema híbrido similar, epoxi/aluminio, estas diferencias se relacionan fuertemente con la carga de espacio.12 Lo anterior nos permite plantear como hipótesis que, en el PVBFe2O3, las nanopartículas alteran el comportamiento aislante y dieléctrico del PVB, modificando con esto su carga de espacio. Es importante remarcar que, a la fecha, no existe una definición con sustento científico que describa el fenómeno de carga de espacio. Sin embargo, se acepta en la literatura que dicho fenómeno se relaciona con el estado eléctrico de un material semiconductor o mal conductor, y se manifiesta como una distribución espacial de portadores de carga eléctrica relativamente Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 inmóviles, lo que a su vez se traduce como un momento dipolar eléctrico.13-16 Por otra parte, es bien conocido que la carga de espacio en sistemas poliméricos se relaciona con varias aplicaciones en ingeniería, como electrets (lámina de polímero que al estar polarizada eléctricamente no requiere de alimentación), películas conductoras, o materiales flexibles capaces de absorber las ondas de radar.12-13 En contraparte a las aplicaciones antes mencionadas, la carga de espacio en materiales poliméricos incide directamente en su proceso de envejecimiento eléctrico, el cual se manifiesta mediante un decaimiento de sus propiedades en función del tiempo. 13-16 En este trabajo, mediante Análisis Dieléctrico Dinámico, se llevó a cabo el estudio del comportamiento dieléctrico de una matriz polimérica de PVB y de un material híbrido magnético a base de PVB, el PVB-Fe2O3. A partir de estas mediciones experimentales se construyeron gráficos de la permitividad eléctrica compleja (εr*=εr’-jεr’’) y del módulo eléctrico complejo (M*=M’+jM’’), lo que permitió identificar la carga de espacio en ambas muestras. LA CARGA DE ESPACIO EN POLÍMEROS En general, la carga de espacio se asocia a una nube de portadores de carga eléctrica, por ejemplo, electrones, protones, iones, y dipolos eléctricos; y se manifiesta como un fenómeno de polarización interfacial.15,17 La nube en cuestión puede estar localizada en un “espacio vacío”, en un gas, en un líquido, en un sólido, o en un material amorfo, como los polímeros. El ejemplo más claro de carga de espacio que podemos encontrar en la vida cotidiana, es el efecto luminoso que caracteriza a una bombilla eléctrica (ver figura 1). Este efecto luminoso es originado por carga de espacio en un “espacio vacío”, y corresponde a un fenómeno de emisión termoiónica, conocido también como efecto Edison.18 La emisión termoiónica se produce a partir de una superficie metálica “al vacío”, la cual se somete a energía térmica para incrementar su estado vibracional, produciendo así una fuerza electrostática que empuja a los electrones hacia la superficie, generando la nube de electrones antes mencionada. La carga de espacio en la bombilla eléctrica es consecuencia de que los electrones de valencia 39 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. Fig. 1. Esquema de la carga de espacio generada en una superficie metálica y su analogía con la carga de espacio producida en un material aislante eléctrico de tipo polimérico. de los metales tienen un nivel energético que les permite transitar, con alta probabilidad, de la banda de valencia a la banda de conducción. Sin embargo, para los materiales poliméricos la situación es diferente, ya que sus electrones de valencia tienen menos libertad, y el enlace químico que se puede formar entre dos átomos es de tipo covalente. Por lo anterior, un material polimérico con estructura ideal (sin defectos) y libre de aditivos químicos o contaminantes, carece de “electrones libres” que puedan generar una corriente eléctrica con un mecanismo de conducción como el de los metales; así mismo, por la misma razón, el efecto de emisión termoiónica es muy poco probable. En la realidad, la presencia de defectos en los polímeros, el uso de aditivos químicos para preservar sus propiedades, la presencia de dipolos eléctricos permanentes y la factibilidad de generar dipolos temporales en su estructura, hacen posible, entre otros aspectos, que se presente el fenómeno de carga de espacio.13-17 Es importante remarcar aquí, que el escenario anterior utilizado para explicar la presencia de carga de espacio en los polímeros, se modifica de manera importante cuando estos materiales se combinan con materiales conductores, como es el caso de la síntesis de materiales híbridos poliméricos.12-13 Por otra parte, el efecto macroscópico que caracteriza a los sistemas poliméricos debido a la carga de espacio es que, en ausencia de un campo eléctrico externo, el campo eléctrico al interior del polímero es diferente de cero. La presencia de este campo eléctrico interno afecta de manera importante el comportamiento dieléctrico de la matriz polimérica. Por lo anterior, es fundamental identificar las condiciones o escenarios que generan carga de espacio en los materiales poliméricos. Por lo general, los portadores de carga 40 eléctrica en estos materiales tienen una distribución espacial tal, que su campo eléctrico global no es importante. Sin embargo, se ha demostrado que cuando los polímeros se exponen a campos eléctricos elevados, y/o se exponen a determinadas radiaciones electromagnéticas, la carga de espacio producida es importante.14 Otro caso particular que puede generar y modificar la carga de espacio en los polímeros, es su combinación estratégica con un material conductor,12 tal es el caso del uso de nanopartículas de Fe2O3 para la síntesis del PVB-Fe2O3. Si consideramos que este material híbrido puede modelarse o representarse como un sistema con un número infinito de pequeños capacitores eléctricos, los cuales se forman entre las nanopartículas metálicas y la matriz polimérica, es evidente que puedan existir al interior del material híbrido, regiones en el espacio donde se intensifique el fenómeno de carga de espacio. En base a lo anterior, se establece que la carga de espacio puede alterar de manera importante el comportamiento dieléctrico de los polímeros, y se ha demostrado que, a partir de mediciones experimentales de su comportamiento dieléctrico, se puede caracterizar su carga de espacio.13,19 C O M P O RTA M I E N TO D I E L É C T R I C O E N POLÍMEROS Los materiales dieléctricos tienen dos aspectos importantes. Por una parte, deben ser aislantes eléctricos. Por la otra, su estructura (electrónica y atómica) debe permitir un proceso de polarización eléctrica cuando dicho material se expone a un campo eléctrico externo; una vez que el campo se elimina, la polarización inducida también debe eliminarse. Este proceso de polarización y despolarización se traduce como un proceso de almacenamiento de carga eléctrica, y representa la principal función de los capacitores eléctricos. Algunos ejemplos de materiales dieléctricos son: vidrio, cerámica, goma, mica, cera, papel, madera seca, porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico, y la baquelita. Existen también materiales en estado gaseoso que se utilizan como dieléctricos, como ejemplo se tiene el aire, nitrógeno y el hexafluoruro de azufre.17 Desde un punto de vista industrial, particularmente en las áreas de la electrónica y mecatrónica, los materiales cerámicos son los dieléctricos más importantes. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. Tab la I. P ermi tiv idad eléctrica de materiales dieléctricos. Material Aire H20 TiO2 Polietileno Poliestireno PVB Permitividad eléctrica relativa εr 1.02 78 100 2.3 – 2.7 2.5 - 2.9 1.5-4 Sin embargo, los polímeros, a pesar de tener una capacidad de almacenamiento de carga eléctrica inferior a la de los materiales cerámicos, hoy en día han cobrado mucha importancia, debido a que son menos costosos y mecánicamente más flexibles que los cerámicos.17,21 La tabla I presenta la magnitud de la permitividad eléctrica relativa, εr, para algunos materiales; a medida que εr aumenta, su capacidad de almacenamiento de carga eléctrica también aumenta. Además de los bajos valores de εr que caracterizan a los polímeros, su comportamiento eléctrico va acompañado por el hecho de que no son aislantes ideales ya que, dependiendo de la intensidad del campo eléctrico aplicado, pueden llegar a conducir la electricidad en un orden de magnitud de los picoamperes (pA).7,17 La figura 2 muestra la dependencia temporal de la corriente eléctrica, I, obtenida para una película de PVB de 15 µm de espesor, la cual ha sido sometida a una diferencia de potencial constante de 50 volts. Se observa en dicha figura, que I disminuye en función del tiempo. Este comportamiento corresponde a una corriente de polarización. Cuando el voltaje (o campo eléctrico) es eliminado, se obtiene una corriente de despolarización cuya dirección es contraria a la corriente de polarización. La magnitud de esta corriente también disminuye y tiende a cero en función del tiempo. Los mecanismos de polarización y despolarización en las curvas de la figura 2 pueden corresponder a varios fenómenos: la formación y posterior orientación de dipolos temporales, la orientación de dipolos permanentes, la inyección y posterior atrapamiento de portadores de carga eléctrica en el polímero, o radiación. Considerando el espesor de la muestra y el campo eléctrico utilizado para Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Fig. 2. Curva I “vs” t para una película de PVB con 15 µm de espesor a temperatura constante de 25°C. obtener estos resultados (figura 2), ambos procesos, el de polarización y el de despolarización, son principalmente el resultado de la orientación de dipolos eléctricos. Como se mencionó anteriormente, los dipolos pueden ser permanentes o temporales. Los dipolos permanentes existen como tales en el material polimérico, y son el resultado de imperfecciones y defectos en su estructura, así como de la presencia de aditivos químicos y otras sustancias contaminantes. En contraparte, los dipolos eléctricos temporales son inducidos a formarse por acción del campo eléctrico aplicado, y son el resultado de distorsiones geométricas de las nubes electrónicas de átomos, grupos químicos, o moléculas que forman parte de la estructura de los polímeros. En la figura 3a se muestra la estructura del PVB, así como los grupos químicos que presentan momento dipolar eléctrico. La figura 3b representa de manera esquemática un segmento de cadena polimérica así como la posible orientación de sus dipolos en ausencia o en presencia de un campo eléctrico aplicado, representa el momento dipolar eléctrico de un grupo químico y representa el valor promedio del momento de los dipolos que conforman el material polimérico colocado entre los electrodos. La curva descendiente de I(t) en el proceso de polarización (figura 2) se explica por el hecho de que I(t) es directamente proporcional al número de dipolos (temporales o permanentes) que aún no se han orientado por acción del campo eléctrico aplicado. Cuando I(t) alcanza su mínimo valor se dice que el polímero está completamente polarizado, y los dipolos eléctricos tienen un potencial o 41 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. a) b) Fig. 3. a) Estructura del PVB, b) esquema de dipolos eléctricos en cadenas poliméricas. tendencia a volver a su posición original. Debido a la viscoelasticidad del polímero, cuando el campo eléctrico es eliminado, los dipolos que fueron orientados regresan de manera parcial a su posición original. De tal manera que, una cantidad de carga eléctrica se puede almacenar y otra se disipa en forma de corriente eléctrica. La magnitud de carga eléctrica almacenada, le da al polímero lo que se conoce como comportamiento dieléctrico. Lo anterior significa que además de aislante eléctrico, el polímero puede llevar a cabo la función de dieléctrico. Dicho de otra manera, la corriente eléctrica (sea de polarización o despolarización) producida en un material polimérico, debe tener dos componentes, una corriente asociada al almacenamiento de cargas eléctricas (efecto capacitivo), y otra corriente relacionada con un proceso de disipación de cargas eléctricas (efecto resistivo). Separar el efecto capacitivo del efecto resistivo en las curvas de la figura 2, es un proceso complejo pero necesario para el estudio de la carga de espacio. Para tal efecto, se recurrió al uso de un dispositivo eléctrico en el que se aplicó un campo eléctrico oscilatorio que sigue una forma sinusoidal. Esta técnica de caracterización es el Análisis 42 Dieléctrico Dinámico, y en la siguiente sección se describe su principio físico de funcionamiento. ANALISIS DIELÉCTRICO DINÁMICO En el Análisis Dieléctrico Dinámico (DDA por sus siglas en inglés), la muestra (película delgada de espesor uniforme) se somete a un campo eléctrico oscilante, E, de forma sinusoidal, a una determinada frecuencia de pulsación angular ω (ecuación 1), la cual es proporcional a la frecuencia f. (1) El estímulo sinusoidal (ecuación 1) induce a los portadores de carga eléctrica del polímero, un determinado movimiento para tratar de seguir la dirección del estímulo aplicado. Esto produce como respuesta una corriente eléctrica, I, que también sigue una forma sinusoidal pero, debido a la viscoelasticidad del material polimérico, se encuentra desfasada en un ángulo θ con respecto a la ecuación 1. La figura 4 es un esquema del DDA, así como de su funcionamiento. La muestra se debe posicionar entre dos electrodos conductores, los cuales deben ser planos y paralelos entre sí; con esto se busca producir un campo eléctrico uniforme y perpendicular entre los planos. Fig. 4. Esquema del dispositivo experimental utilizado para el DDA. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. La distancia entre los electrodos, d, es función del espesor de la muestra, y se relaciona con el campo eléctrico a través de la diferencia de potencial, V, entre los planos, de tal manera que la ecuación 1 se transforma en: (2) Considerando el ángulo de desfase, θ, entre V e I (ver figura 4), se pueden expresar tanto el voltaje, V, como la corriente, I, y la admitancia, Y, dentro del marco de los números complejos. A continuación se presentan las expresiones matemáticas correspondientes: (3) El comportamiento dieléctrico del material polimérico se desvía del comportamiento de un capacitor eléctrico ideal; dicha desviación es directamente proporcional al ángulo A partir de δ, también conocido como ángulo de pérdida, y considerando un modelo RC en paralelo,20 se pueden calcular la capacitancia, C, y la resistencia equivalente, R, para el material estudiado. Las expresiones matemáticas de estos dos parámetros son las siguientes: (4) Por otra parte, a partir de Y* se puede calcular la capacitancia compleja, C*, o la permitividad relativa compleja, εr*, ver ecuación 5. Es importante remarcar aquí que εr* se relaciona de manera directa con el comportamiento dieléctrico del polímero, y no depende de la geometría (espesor y área) de la muestra.20,21 (5) Las ecuaciones anteriores consideran que la temperatura es constante, por lo que se pueden obtener mediciones experimentales de la parte real, εr’, y la parte imaginaria, εr’’, de εr*, para diferentes valores de ω. Lo anterior permite construir dos gráficos isotérmicos, εr’ y εr’’. Las formas de estas curvas experimentales expresan el comportamiento dieléctrico del material estudiado. Por otra parte, también se pueden realizar mediciones experimentales a una frecuencia constante para un intervalo de temperatura, obteniéndose gráficos isocrónicos: εr’ (T) y εr’’ (T), que reflejan el comportamiento dieléctrico en temperatura del material estudiado. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 En la siguiente sección se muestran los resultados experimentales obtenidos mediante DDA para el PVB y el PVB-Fe2O3. RESULTADOS DEL ANÁLISIS DIELÉCTRICO DINÁMICO PARA EL PVB Y EL PVB-Fe2O3 Los resultados obtenidos mediante DDA para el PVB y PVB-Fe2O3 se muestran en la figura 5. Se realizaron mediciones experimentales isotérmicas de εr*, para un intervalo de frecuencias de 20 Hz a 2 MHz, siendo diez las temperaturas constantes estudiadas, las cuales se encuentran en un intervalo de 50 a 150°C. Ambas muestras analizadas fueron sintetizadas de acuerdo con las directivas de Puente Córdova,7 conservando un espesor aproximado de 15 µm. En la figura 5a se muestra que en las curvas isotérmicas obtenidas para la muestra de PVB, εr’ tiene un comportamiento descendiente entre 4 y 1 cuando la frecuencia aumenta. Esto se explica por el hecho de que los dipolos eléctricos tienen menos tiempo para orientarse y almacenar carga eléctrica cuando la frecuencia aumenta. Por otra parte, se identifica también que la capacidad de almacenar carga eléctrica aumenta cuando la temperatura de las curvas isotérmicas aumenta. En las curvas de la figura 5a, se identifica que a muy altas frecuencias existe una tendencia a volver a incrementarse los valores de εr’, este comportamiento se observa de manera más clara cuando la temperatura aumenta, y está asociado a la interface que se forma entre los electrodos y el material estudiado. En lo que respecta a los gráficos isotérmicos de εr’’ para el PVB, en la figura 5b se observa que la disipación de carga eléctrica a temperaturas bajas (T=60°C) tiene un valor máximo a una frecuencia de 8 kHz. Este máximo se desliza hacia frecuencias más elevadas cuando la temperatura de las curvas isotérmicas aumenta. Por tal razón, este comportamiento debe ser considerado como térmicamente activado. Aunado a lo anterior, se observa en las curvas de la figura 5b que, a la temperatura más elevada, εr’’ se incrementa cuando la frecuencia disminuye. Este comportamiento es menos pronunciado para las curvas con menor temperatura, y debe estar asociado a la conductividad iónica y la carga de espacio del PVB. Es importante remarcar que de esta manera no es posible identificar por separado estos dos fenómenos. 43 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. a) b) c) d) Fig. 5. Resultados experimentales de ε* para la muestra de: (a) y (b) PVB, (c) y (d) PVB-Fe 2O3. Po otra parte, las figuras 5c y 5d corresponden a los resultados isotérmicos εr’ y εr’’ para la muestra de PVB-Fe2O3. Se observa de manera clara en la figura 5c que las curvas εr’ son globalmente superiores a los gráficos correspondientes a la muestra de PVB (figura 5a), esto significa que la capacidad de almacenar carga eléctrica se incrementó en el material híbrido. Sin embargo, el efecto disipativo de carga eléctrica también aumentó y se muestra de manera clara en la figura 5d, ya que las curvas isotérmicas de εr’’ son superiores a las correspondientes de la muestra de PVB (figura 5b). Otro aspecto importante entre las curvas de PVB y las de PVB-Fe2O3 es el cambio en la forma de las curvas, lo cual es función de las nanopartículas dispersas en la matriz polimérica. A partir de las curvas experimentales de la figura 5, se identifica de manera clara la capacidad de almacenar y disipar carga eléctrica tanto en 44 la muestra de PVB como en la de PVB-Fe2O3, pero no es posible identificar la carga de espacio. Para tal efecto fue necesario calcular el módulo eléctrico complejo, M*. Para esto, en primer lugar se construyeron los gráficos isocrónicos de εr’ y de εr’’. Posteriormente, a partir de estos, se calculó la parte real y la parte imaginaria de M*. En la figura 6 se muestran los gráficos isocrónicos εr’ (T) y εr’’ (T) con una frecuencia de 20 Hz para ambas muestras. Las figuras 6a y 6b corresponden a εr’ (T) y εr’’ (T) respectivamente para la muestra de PVB, y las figuras 6c y 6d corresponden a εr’ (T) y εr’’ (T) respectivamente para la muestra de PVB-Fe2O3. Las figuras 6a y 6b muestran de manera muy clara la manifestación eléctrica de la transición vítrea del PVB, la cual se identifica con el valor máximo de εr’’ (T) entre 60 y 100 °C, y que está relacionada con un incremento de εr’ (T) cuando la temperatura Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. a) b) c) d) Fig. 6. Resultados isocrónicos de la εr* a una frecuencia de 20 Hz, en un intervalo de temperaturas de 50°C a 150°C para una muestra de: (a) y (b) PVB, (c) y (d) PVB-Fe2O3. aumenta en este mismo intervalo de temperatura. A temperaturas superiores a 100 °C, tanto εr’ (T) como εr’’ (T) se incrementan cuando la temperatura aumenta. Esto se relaciona con la conductividad iónica, la que a su vez eclipsa el fenómeno de carga de espacio, el cual se debería identificar como un máximo o pico de relajación a una temperatura superior a la temperatura de transición vítrea del PVB. Debido a que en los diagramas de las figuras 5 y 6, no se aprecia de manera clara el fenómeno de carga de espacio, para identificar dicho fenómeno se calculó el módulo eléctrico complejo, M*, el cual se relaciona con la permitividad relativa compleja mediante la ecuación 6.12, 22 (6) Considerando que para los polímeros la permitividad relativa compleja se define mediante Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 la ecuación 7: (7) Sustituyendo la ecuación 7 en 6 se obtiene una expresión matemática para M*: (8) A partir de la ecuación 8, se definen la parte real y la parte imaginaria de M*. (9) Las ecuaciones 8 y 9 se utilizaron para construir los gráficos de M’ y M’’ en función de la temperatura a una frecuencia constante. Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente sección. EL MÓDULO ELÉCTRICO COMPLEJO En la figura 7 se muestran los diagramas isocrónicos obtenidos para M’ (T) y M’’ (T) para una frecuencia de 20 Hz. 45 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. a) resultados obtenidos para el PVB b) resultados obtenidos para el material híbrido PVB-Fe2O3 Fig. 7. Dependencia en temperatura de la parte real y parte imaginaria del módulo eléctrico complejo, M*. En la figura 7a, se muestran los gráficos M’(T) y M’’ (T), mediante los cuales se identifican dos fenómenos de relajación dieléctrica. El primero, a una temperatura de 65°C, que se identifica como un máximo de M’’ (T), y que está asociado con un descenso de M’ (T) cuando la temperatura aumenta de 50 a 110°C. Este fenómeno de relajación es la manifestación eléctrica de la transición vítrea del PVB. El segundo fenómeno de relajación se manifiesta en M’’ (T) como un pico de mayor amplitud a una temperatura de 130°C, y corresponde a un descenso pronunciado de M’ (T). Este segundo fenómeno de relajación corresponde a la carga de espacio del PVB. Por otra parte, los gráficos obtenidos de M’(T) y M’’ (T) para la muestra de PVB-Fe2O3, muestran que tanto la transición vítrea como la carga de espacio se ven modificados por la dispersión de nanopartículas de Fe2O3. El pico de relajación correspondiente a la transición vítrea se desliza hacia las altas temperaturas, mientras que la amplitud del pico de relajación asociado a la carga de espacio disminuye considerablemente. Este último comportamiento, puede interpretarse como una disminución de la carga de espacio debido a que las nanopartículas de Fe2O3 facilitan la disipación de carga eléctrica, evitando su acumulación en la matriz polimérica. CONCLUSIONES A partir de mediciones experimentales obtenidas mediante DDA se construyeron las curvas de la parte real y la parte imaginaria del módulo eléctrico complejo, mediante las cuales se logró identificar de 46 manera clara la manifestación eléctrica de la transición vítrea del PVB, así como la carga de espacio a temperaturas superiores a su temperatura de transición vítrea. Efectuando el mismo análisis para una muestra del material híbrido PVB-Fe2O3 se concluyó que la carga de espacio disminuyó considerablemente en el material híbrido, lo cual es producto de las nanopartículas de Fe2O3 dispersas en el PVB. Estos resultados permitirán darle un aprovechamiento más adecuado a los materiales híbridos en aplicaciones eléctricas, electrónicas y mecatrónicas. REFERENCIAS 1. G.C. Delgado-Ramos; Nanotechnology in Mexico: Global trends and national implications for policy and regulatory issue; Technology in Society, 2014, Vol. 37, pp. 4–15. 2. F.C. Adams, C. Barbante; Nanoscience, nanotechnology and spectrometry; Spectrochimica Acta Part B, 2013, Vol. 86, pp. 3–13. 3. M. Colombo, S. Carregal-Romero, M.F. Casula, L. Gutiérrez, M.P. Morales, I.B. Böhm, J.T. Heverhagen. D. Prosperi, W.J. Parak; Biological applications of magnetic nanoparticles; Chem. Soc. Rev., 2012, Vol. 41, pp. 4306–4334. 4. D. Stanicki, L. Vander Elst, R.N Muller, S. Laurent; Synthesis and processing of magnetic nanoparticles; Current Opinion in Chemical Engineering, 2015, Vol. 8: pp. 7–14. 5. M.E. Reyes Melo, V.A. González González, J.F. Luna Martínez; Materiales híbridos magnéticos; Ingenierías, 2011, Vol. XIV, No. 53, pp. 6-12. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. 6. J.F. Luna-Martínez, E. Reyes-Melo, V. Gonzalez-Gonzalez, C. Guerrero-Salazar, A. Torres-Castro, S. Sepúlveda-Guzmán; Synthesis and characterization of a magnetic hybrid material consisting of iron oxide in a carboxymethyl cellulose matrix; Journal of applied polymer science, 2013, Vol. 127, No. 3, pp.2325-2331. 7. J.G. Puente Córdova; Síntesis y caracterización de un material híbrido de matriz polimérica de polivinil butiral. Tesis de Maestría, 2013, Universidad Autónoma de Nuevo León, México. 8. J.G. Puente Córdova, M.E. Reyes Melo, B.C. López Walle, V.A. González González; Materiales poliméricos dieléctricos; Ingenierías, 2012, Vol. XV, No. 57, pp. 29-37. 9. B. López-Walle, J. Romo-Rico, J. PuenteCórdova, M. Reyes-Melo; Synthesis and mechanical characterization of magnetic hybrid materials with PVB as polymeric matrix for micro-actuation applications; MRS Proceedings, 2014, Vol. 1708, mrss14-1708-vv04-37. 10. A.B. Salunkhe, V.M. Khot, J.M. Ruso, S.I. Patil; Synthesis and magnetostructural studies of amine functionalized superparamagnetic iron oxide nanoparticles; Royal Society of Chemistry Adv., 2015, Vol. 5, pp. 18420–18428. 11. M. Carraro S. Gross; Hybrid materials based on the embedding of organically modified transition metal oxoclusters or polyoxometalates into polymers for functional applications: A review; Materials, 2014, Vol. 7, pp. 3956-3989. 12. L.I. Ramajo, M.S.I .Castro, M.M.I. Reboredo; Fenómenos de relajación interfacial en compuestos epoxi/aluminio; Revista Matéria, 2008, Vol. 13, No. 2, pp. 405 – 411. 13. M. Mudarra López; Estudio de la carga de espacio en polímeros amorfos por espectroscopia Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 dieléctrica; Tesis Doctorado, 2000, Universitat Politècnica de Catalunya, España. 14.C. Perrin, V. Griseri, Ch. Laurent; Space charge detection in KaptonR and PTFE polymer films by the open pulsed electro-acoustic method; High Performance Polymers, 2008, Vol. 20, pp. 535–548. 15.D.K. Das-Gupta; Space charge and dielectric polarization in polymers; Proc. of the 6th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials; 2000, pp. 24-29. 16.M. Carmo Lança, E.R. Neagu, R.M. Neagu, C.J. Dias, J.N. Marat-Mendes; Space charge studies in LDPE using combined isothermal and non-isothermal current measurements; IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation; 2004, Vol. 11, No. 1, pp. 25-34. 17.C. Laurent; Diélectriques solides et charge d’espace; Techniques de l’ingénieur, 1999, pp. D 2 305 1-13. 18.P.T. McCarthy, R.G. Reifenberger, T.S. Fisher; Thermionic and photo-excited electron emission for energy-conversion processes; Frontiers in energy research - Nanoenergy technologies and materials; 2014, Vol. 2, No. 54, pp.1-15. 19.M. Arous, F. Karray, H. Hammami, G. Perrier; Study of the space charge relaxation in poly ether ether ketone (PEEK); Phys. Chem. News 10, 2003, pp. 05-07. 20.J.C. Dubois; Propriétés diélectriques des polymères; Techniques de l’Ingénieur, 1998. 21.R. Coelho; Physics of dielectrics for the engineer; Elsevier Scientific Publishing Co.; 1979. 22.R. Richert, H. Wagner; The dielectric modulus: relaxation versus retardation; Solid State Ionics, 1998, Vol. 105, pp. 167-173. 47 �Eventos y reconocimientos CURSO ASHRAE MONTERREY El pasado 15 de enero, se inauguró el Curso de Refrigeración organizado por el Capítulo Monterrey de ASHRAE Monterrey en acuerdo con la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. La pintora Irma Herrera frente a una de sus obras en la exposición “Sensaciones de color”. El Ing. Enrique Garay de la Garza (de frente), durante la exposición del curso de refrigeración ofrecido por el Capítulo Monterrey de ASHRAE en acuerdo con la FIME. EXPOSICIÓN “SENSACIONES DE COLOR” El pasado 18 de febrero, se inauguró dentro del Espacio del Arte de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, la exposición individual de la pintora Irma Herrera, titulada “Sensaciones de color”. La inauguración finalizó con un mensaje del Director de la FIME, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, quien agradeció ampliamente a la pintora por compartir con la comunidad su talento, a través de esta muestra. 48 SIMPOSIO IBEROAMERICANO El pasado 23 de febrero, el M.C. Fernando Banda Muñoz, Subdirector de Vinculación y Relaciones, en representación del Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, llevó a cabo la inauguración del XII Simposio Iberoamericano sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia. Este evento se organizó en conjunto con la Comisión Federal de Electricidad con la FIME coordinado por el Dr. Ernesto Vázquez Martínez. Entre los asistentes se contó con la presencia del Ing. Ricardo Orozco Mendoza, Gerente de Protección de la Subdirección Transmisiones de la CFE y el Ing. Rivero Rivera Payan, Subgerente de Protección de la Gerencia Regional Transmisión del Noreste. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 �Eventos y reconocimientos El Dr. Ernesto Vázquez Martínez, dando un mensaje durante la inauguración del simposio. RECONOCIMIENTO INTERNACIONAL El pasado 4 de marzo, el Rector Jesús Ancer Rodríguez, dio a conocer a la comunidad universitaria, el logro que la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica obtuvo por parte del Consejo de Acreditación para la Ingeniería y la Tecnología (ABET, por sus siglas en inglés), que avala la calidad internacional del Programa de Ingeniero en Materiales que se ofrece en esta facultad. En este acto estuvieron presentes también el Dr. Daniel González Spencer, Secretario de Relaciones Desde la izquierda: Dr. Daniel González Spencer, Lic. María Elena Barrera Bustillos, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, MEC. Rogelio G. Garza Rivera, y el Lic. Jorge E. Valle de la Cruz. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año XVIII, No. 67 Internacionales de la UANL; la Lic. María Elena Barrera Bustillos, Directora General del Consejo de Acreditación de la Enseñanza de la Ingeniería (CACEI); Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de la FIME; el MEC. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL, y el Lic. Jorge E. Valle de la Cruz, Director de Acreditación y Evaluación Internacional de la UANL. El Dr. Castillo Elizondo expresó que este logro se debe al trabajo de un equipo sólido de maestros, administrativos y estudiantes, reconociendo al MC. Esteban Báez Villarreal, quien en su momento, como director, se comprometió con esta experiencia. GALERÍA DE LOS PROFESORES EMÉRITOS El pasado 4 de marzo, el Rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, acompañado del Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, develaron una serie de placas con los nombres de los profesores eméritos, en la Galería de Profesores Eméritos, que se encuentra ubicada en un lugar especial junto a las oficinas administrativas de la FIME. En la galería lucen los nombres de los 8 profesores de la FIME que cuentan con este reconocimiento a su trayectoria profesional y aporte académico: el MC. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza (conferido en 1987), Ing. Jorge Manuel Urencio Ábrego (1995), Ing. Antonio Cayetano Garza Garza (1998), El Dr. Jaime A. Castillo Elizondo (izq.), develando junto con el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, inaugurando la Galería de los Profesores Eméritos. 49 �Eventos y reconocimientos MC. René Mario Montante (1998), MC. Fernando Javier Elizondo Garza (2006), MC. Cástulo E. Vela Villarreal (2008), MC. Manuel Amarante Rodríguez (2010) y el Dr. José Lis Cavazos García (2011). FERIA UNIVERSITARIA DEL LIBRO UANLeer El pasado 11 de marzo, el Rector de la Universidad Autónoma de Nuevo Léon, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, inauguró la Feria Universitaria del Libro UANLeer 2015 en el Centro Cultural Colegio Civil, acompañado del Dr. Celso José Garza Acuña, Director de Publicaciones de la UANL; M. Stéphane Gaillard, Director de la Alianza Francesa de Monterrey, el Dr. Mario Humberto Rojo Flores, Director de la Facultad de Ciencias de la Comunicación; y del Premio Nobel de Literatura 2008, Jean Marie Le Clézio; a quien se le entregó la presea denominada “La Flama”, distinción que otorga la UANL a los invitados más 50 ilustres. Este año la Alianza Francesa es el invitado de honor en esta celebración dedicada a la lectura. Desde la izquierda: Dr. Mario Humberto Rojo Flores, Dr. Celso José Garza Acuña, M. Stéphane Gaillard, M. José Manuel Blanco, Director Cultural de la Alianza Francesa. En la rueda de prensa en la que se anunció la Feria Universitaria del Libro UANLeer 2015. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Enero - Marzo 2015 Pablo Emilio Pimentel Villasmil, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en estructuras. Tesis: “Estudio del comportamiento del cuerpo y aletas plegables en un cohete de un sistema lanza cohetes múltiples”, 13 de enero. Víctor Hugo Oropeza Cárdenas, Maestría en Ingeniería en orientación Eléctrica, (Por materias) 14 de enero. Manuel Medrano Contreras, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: “Metodología para la Implementación de BI (Bussines InteligenceInteligencia de Negocios) en las empresas”, 15 de enero. Héctor Javier García Rodríguez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis (Por materias), 21 de enero. Francisco Javier Cavazos García, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica (Por materias), 22 de enero. Miguel Ángel González Leal, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación (Por materias), 26 de enero. Adán Orlando González Ugalde, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 27 de enero. Reyes Alejandro Paura Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Tesis: “Planificación libre de Gluten”, 9 de febrero. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año XVIII, No. 67 Anakita Nanda, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Tesis: “Fitting phase type distributions to service process with sequential phases”, 10 de febrero. Edgar Alejandro Rodríguez Castro, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Tesis: “Tipo de fractura presente en bielas”, 11 de febrero. Carlos Enrique Gutiérrez Durán, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales. Tesis: “ Estudio del comportamiento eléctrico (corriente vs tiempo) de materiales poliméricos”, 13 de febrero. Daniel Tovar Díaz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 17 de febrero. Yareth Gutiérrez Molina, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación, (Por materias), 17 de febrero. Melissa Selene Moreno Sánchez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Dirección empresarial”, 18 de febrero. Rodrigo Villareal Manrique, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Reducción de arranques”, 18 de febrero. Martha Idalia Rodríguez Matamoros, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación. Tesis: “Minimización de faltantes por temporalidad mediante un manejo en el pronóstico de las demandas”, 20 de febrero. 51 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Rodolfo Castillo López, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Tesis: “Diseño de cable submarino para alta tensión de corriente alterna”, 23 de febrero. José Eduardo Trejo de la Torre, Maestría en Logística y Cadenas de Suministro con orientación en Dirección y Operación. Proyecto: “Optimización de costos de distribución para una empresa de clase mundial”, 23 de febrero. Pedro Omar Molina Sauceda, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Tesis: “Fallas de tiempo de ciclo en máquinas de hielo”, 27 de febrero. Eric Arvey Garza Rodríguez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales. Tesis: “Propiedades mecánicodinámicas de nanopartículas termofijas”, 27 de febrero. Jessica Alejandra Eng Gómez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: “Análisis de los clusters en China y su influencia en la cadena de valor”, 2 de marzo. Héctor Treviño Castro, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en 52 Relaciones Industriales, (Por materias), 6 de marzo. Laura Karina Saldaña Rojo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación. Proyecto: “Optimización de Manejo y costos para materiales de los tipos B y C”, 9 de marzo. Carlos Alberto Flores Martínez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación. Tesis: “Mejora de la velocidad de inventario mediante la implementación de un sistema de conteo periódico”, 15 de marzo. José Antonio Ramírez Figueroa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Tesis: “Ahorro de energía en compresores de aire”, 18 de marzo. Enrique Alejandro Díaz Torres, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Tesis: “Reducción de sobreconsumo de compuesto de PVC”, 26 de marzo. Miguel Francisco Durón Martínez, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por materias), 27 de marzo. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 �Acuse de recibo Journal of Water Resource and Protection Revista EIA El Journal of Water Resource and Protection (JWARP) está dedicado a los últimos avances en la protección de recursos hidráulicos. Se publica mensualmente en línea e impreso (ISSN: 19453094) y en línea (http://www.scirp.org/Journal/ Home.aspx?JournalID=46), por Scientific Research. Su objetivo es registrar el estado del arte y promover la investigación en estas áreas. Un ejemplo del contenido de esta revista se puede apreciar en el primer número de 2015, volumen 7, número 1, con el artículo: “Spatial-Temporal Dynamics of Runoff Generation Areas in a Small Agricultural Watershed in Southern Ontario”, el cual muestra una metodología para identificar la generación de escurrimientos en ciertas áreas dentro de las cuencas, validada mediante mediciones en una cuenca localizada en el sur de Ontario. La Revista EIA es una publicación científica y tecnológica de la Escuela de Ingeniería de Antioquia, Colombia (ISSN: 1794-1237) que divulga resultados de investigación en el campo de la ingeniería, el desarrollo tecnológico y la innovación. La revista se publica semestralmente y se puede consultar en http://revista.eia.edu.co/ . Un ejemplo del material que presenta es el artículo “Calibración de los parámetros de un modelo de horno de arco eléctrico empleando simulación y redes neuronales“ que apareció en el volumen. 11, número 22 (2014), que presenta un modelo que permite determinar su comportamiento con respecto al tipo de carga. Se hace énfasis en el problema de la calibración de los parámetros utilizando redes neuronales con resultados que muestran un error máximo de 4.1 %. JAAG Ingenierías, Abril-junio 2015, Año XVIII, No. 67 MAGG 53 �Colaboradores Blumschein, Jörg Graduado de ingeniero de la Universidad de Magdeburg, Alemania (1992), en donde estudió Cibernética Técnica y Medición de Procesos. Desde 1992 trabaja en el Departamento de Desarrollo de Relevadores de Protección Eléctrica de SIEMENS, como experto en sistemas de protección. Caballero Hernández, Diana Profesor Investigador en la Facultad de Ciencias Biológicas, UANL. Biólogo (2000), maestría en Inmunobiología (2003), Doctorado en Microbiología (2009) por la UANL. Postdoctorado en el Instituto de Neurobiología, UNAM, México (2009-2010), postdoctorado en el Centro Andaluz de Biología Molecular y Medicina Regenerativa, Sevilla, España (2010-2012). Cantú Cárdenas, María Elena Maestría en Ciencias con especialidad en Microbiología Industrial (2000). Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Nuevo León. Doctorado en Ciencias con orientación en Farmacia (2010). Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Nuevo León. Coordinadora del Posgrado en Microbiología de 2010 a la fecha. Jefe del Laboratorio de Biotecnología de 2011 a la fecha. Chávez Guerrero, Leonardo Ingeniero Mecánico Metalúrgico (2001) y Maestría en Materiales, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (2004). Doctorado en Nanociencias y Nanotecnología por el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (2008). Postdoctorado en ParisTech de Paris, Francia 54 (2011). Postdoctorado en la escuela de Química de la Universidad de St Andrews, Escocia (2012). Derbez García, Edmundo Licenciado por la Facultad de Ciencias de la Comunicación (1988) y por la Facultad de Filosofía y Letras de la UANL (2002), además cuenta con un diplomado en Apreciación de las Artes, MARCOUANL (2003). Ha sido reportero, enviado especial, editor y directivo informativo y colaborador en revistas de la UANL y externas. De 1985 a 1995 trabajó en el Diario de Monterrey; de 1997 a 2009 en Vida Universitaria y actualmente es director del Centro de Documentación y Archivo Histórico de la UANL. Dzienis, Cezary Ingeniero Electricista de la Universidad de Tecnología de Varsovia, Polonia, en 2003. Trabajó en la División de Electrónica Industrial y Sistemas de Control hasta 2004. Obtuvo su doctorado en 2007, en la Universidad de Magdeburg, Alemania, trabajando en la Coordinación de Redes de Potencia Eléctrica y Fuentes de Energía Renovables. A partir de 2008 es investigador en el área de algoritmos de control de SIEMENS Berlín. Elizondo Escamilla, Denisse Margarita Químico Farmacéutico Biólogo (2014), Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Nuevo León. Garza Cervantes, Javier A. Químico Farmacéutico Biólogo (2014), Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Nuevo León, estudiante de Maestría en Ciencias Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 �Colaboradores con orientación en Microbiología Aplicada, FCQ-UANL. López Walle, Beatriz Ingeniera Mecánica -opción Mecatrónica- (2003) por la UNAM. Doctora en Microrobótica (2008) en la Université de France-Comte, en Besançon, Francia. Catedrático Investigador de la FIME y el CIIDIT de la UANL. Miembro del SNI nivel I. Ortiz Martínez, Margarita Químico Farmacéutico Biólogo (2008), Maestría en Ciencias con orientación en Farmacia, Facultad de Ciencias Químicas (2011). Puente Córdova, Jesús Gabino Ingeniero Mecánico Electricista (2010) y Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2013) por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Actualmente es estudiante de doctorado en Ingeniería de Materiales en la misma institución. Catedrático investigador en la FIME. Quintero, Jaisiel Egresado de la Licenciatura en Ingeniería Electrónica en 2008 en el Instituto Tecnológico de Saltillo; obtuvo la Maestría en Planeación con Acentuación en Capital Humano en la UA de C en 2009. Actualmente trabaja en la SGRTNE, C.T. Carbón II, de la Comisión Federal de Electricidad. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año XVIII, No. 67 Rentería Baltiérrez, Flor Yanhira Ingeniería Industrial con especialidad en Calidad y Manufactura (2008), Instituto Tecnológico de Delicias, Chih., México. Maestría en Ciencia de Materiales (2012), Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C., Chih., México. Estudiante de Doctorado en Ingeniería de Materiales, en la FIME-UANL. Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Doctorado en Ciencia de Materiales (2004) en la Universidad Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Ha obtenido el Premio de Investigación UANL en 1999, 2004, 2009, 2011 y 2012. Es catedrático investigador en la FIME y el CIIDIT de la UANL. Es miembro del SNI nivel I. Salazar Salazar, Ovidio Profesor Investigador de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Universidad Autónoma de Tamaulipas. Yelgin, Yilmaz Estudió ciencias computacionales en la Universidad Técnica de Berlín, Alemania, graduándose en 2004, y desde 2006 trabaja en el Departamento de Desarrollo de Relevadores de Protección Eléctrica de SIEMENS. 55 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación 56 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Revisores Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año XVIII, No. 67 Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, 57 �excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. 58 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 �Ingenierías, Abril-junio 2015, Año XVIII, No. 67 59 �60 Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2015 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 18 Número Número de la revista 67 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2015, Año 18, No 67, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2015 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020830 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Carga de espacio Dieléctricos Nanopartículas magnéticas PVB Sustentabilidad https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20789/Ingenierias_2015_Ano_18_No_66_Enero-Marzo.pdf 9fef5ba7d292f8438b66a24be5afd01d PDF Text Text ��66 Contenido Enero-Marzo de 2015, Año XVIII, No. 66 2 3 6 13 24 32 39 Directorio Editorial: Año Internacional de la luz Juan Antonio Aguilar Garib Estudio de confiabilidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba Armando Díaz Concepción, Julio Abril Romero García, Jesús Cabrera Gómez, Néstor Viego Ariet, La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias Brenda Janett Alonso Gutiérrez, Arnulfo López Meléndez, Carolina Yazmin Rodríguez Liñan, David Abraham Lázaro López Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión Ever Benjamín Huerta Leija, Ernesto Vázquez Martínez, Gina María Idarraga Ospina Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () Sergio David Madrigal Espinoza, Francisco Edmundo Treviño Treviño, Valeria Paola González González Síntesis y caracterización de quitina a partir de exoesqueletos de camarón para su uso como material de refuerzo Yaret Gabriela Torres Hernández, Alejandro Altamirano Torres 45 Eventos y reconocimientos 50 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 48 54 55 57 58 Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL Acuse de recibo Colaboradores Información para colaboradores Código de ética Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 3 �DIRECTORIO Ingenierías, Año XVIII, N° 66, eneromarzo 2015. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de enero de 2015. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2015 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / M.C. Gabriel Martínez Alonso, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 �Editorial: Año Internacional de la luz Juan Antonio Aguilar Garib Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Juan.AguilarGb@uanl.edu.mx La Real Academia Sueca de Ciencias entregó en 2014 el Premio Nobel de Física a los japoneses Isamu Akasaki y Hiroshi Amano, y al estadounidense Shuji Nakamura, por la invención del diodo emisor de luz azul eficiente, que aunado a los diodos emisores de luz rojo y verde, permite contar con fuentes de luz blanca brillantes que ahorran energía. El tema de este premio resulta ser un magnífico antecedente del inicio del Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz, proclamado por la Asamblea General de las Naciones Unidas para el 2015, después de las celebraciones internacionales de la física (2005), la astronomía (2009), la química (2011) y la cristalografía (2014), que fueron organizados para aumentar la concientización y comprensión por parte del público general de cómo estas disciplinas de la ciencia pueden ayudar a responder a las necesidades de la sociedad, fomentar el interés de los jóvenes en estas disciplinas, y celebrar las contribuciones de los científicos. Todas estas ciencias tienen relación con la luz: el Año Mundial de la Física marcó el centenario del “año milagroso” en el cual Albert Einstein publicó trabajos que han influenciado a la física moderna, tal como la explicación del efecto fotoeléctrico; el Año Internacional de la Astronomía fue una celebración mundial por los 400 años del primer uso de un telescopio astronómico por Galileo Galilei; el de la Química toma como un hito histórico el centenario del Premio Nobel a Marie Curie, quien en 1903 ya había recibido el premio de Física por sus estudios sobre la radiación; y el de la Cristalografía conmemoró el centenario de los trabajos de difracción de rayos X, que permite el estudio detallado de los materiales cristalinos. La importancia de la luz es obvia si consideramos que el sustento de la vida en la tierra depende de ella a través de la fotosíntesis en las plantas. La fuente de luz natural de la tierra es el sol, aunque también suministra radiación electromagnética que no podemos detectar con la vista. A la parte del espectro electromagnético que sí podemos detectar le llamamos “luz visible” y es la que utilizan nuestros ojos para captar nuestro entorno. La vista es probablemente el más intuitivo de los sentidos y el que mayor información nos proporciona. Estamos familiarizados con la luz dada nuestra naturaleza diurna, que por cierto estamos modificando con la iluminación artificial. La importancia de la luz se manifiesta desde las culturas antiguas en las que no faltan deidades relacionadas con el día, la claridad y por supuesto el sol. En lo cotidiano, apreciamos los fenómenos luminosos constantemente en nuestra vida, aún sin conocerlos: la propagación rectilínea de la luz cuando comprobamos si una superficie es ondulada o plana, valoramos las distancias a Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 5 �Año Internacional de la Luz / Juan Antonio Aguilar Garib. los objetos mediante triangulación con nuestros dos ojos, utilizamos la reflexión al mirarnos en el espejo o la refracción al admirar un cuerpo bajo el agua, la dispersión en el arco iris o en el color azul del cielo o el rojizo del atardecer. Todas estas cosas que parecen ordinarias, requieren ser estudiadas y comprendidas al momento de desarrollar aplicaciones que aprovechen esos fenómenos. No hay nada más rápido que pueda viajar en el vacío como las ondas electromagnéticas, lo cual brinda un atractivo especial a los científicos interesados en la investigación básica. Newton ya había considerado la naturaleza corpuscular de la luz, tratándola como materia que seguía las reglas de la mecánica clásica, con lo que explicaba su propagación rectilínea y considerando choque elástico, a su reflexión, también se podía explicar la refracción de la luz al aceptar que su velocidad de propagación dependía del medio, incluso se sugerían partículas responsables de cada color, que viajaban a diferente velocidad a través de un prisma y separaban la luz blanca en sus componentes cromáticos. Sin embargo no se podía explicar la difracción de la luz utilizando esta aproximación corpuscular. Huyghens logró explicarla considerando que la luz se propagaba en ondas a través del eter; pasarían más de 300 años para que Einstein demostrara la naturaleza dual de la luz. La importancia de la luz se extiende cuando se consideran otras regiones del espectro electromagnético además del visible, se encuentran las microondas que se utilizan para comunicación y procesamiento de materiales, las ondas de radio que también se utilizan para comunicaciones y en la medicina, el infrarrojo que transfiere calor, también está el ultravioleta, y los conocidos rayos X que se utilizan para el diagnóstico médico y para la caracterización de materiales, y ya no me extiendo más a otros haces energéticos de naturaleza ondulatoria porque la lista es larga. No parece necesario reforzar la importancia de la luz en sí, pero lo que sí es necesario es reforzar la importancia de su estudio, ya que hay una tendencia moderna para evaluar el mérito de una investigación por su “utilidad” inmediata, y trasciende hasta los cursos en las carreras eliminando temas que no parecen tener demanda. El mismo Charles K. Kao expresó algo así en sus palabras de agradecimiento a la Real Academia Sueca de Ciencias cuando recibió el premio Nobel de Física en 2009 por el desarrollo de la fibra óptica en 1965, “Había muchos obstáculos. Pero a principios de los 60’s la investigación esotérica era tolerada siempre que no fuera muy costosa”. Así, entre los objetivos de una celebración como la del Año Internacional de la Luz está valorar y fomentar el interés por el estudio sobre este campo de manera que no sea un asunto de tolerancia. Una forma en la que se puede lograr esto es a través de figuras que se resaltan a la manera de los héroes, como podrían ser investigadores laureados con el premio Nobel (seguramente Newton, Huyghens y Galileo hubieran calificado). En este año también se celebran algunos aniversarios importantes, tal como el libro de óptica de Ibn Al-Haythem de 1015, los trabajos sobre la naturaleza ondulatoria de la luz de Fresnel de 1815, las propuestas sobre ondas electromagnéticas de Maxwell de 1865, la luz en espacio y tiempo con la teoría general de la relatividad de Einsten de 1915, el descubrimiento del fondo de microondas en el espacio por Penzias y Wilson, así como la tecnología de fibra óptica de Charles Kao de 1965, cubriendo desde los primeros estudios de óptica hasta las tecnologías en 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 �Año Internacional de la Luz / Juan Antonio Aguilar Garib. comunicaciones ópticas que aprovecha el Internet, de hecho, se puede decir que fotónica se está convirtiendo en la piedra angular de las tecnologías del futuro desde los trabajos de Townes, Básov y Prójorov, quienes compartieron el Premio Nobel de Física en 1964 por los trabajos fundamentales en el campo de la electrónica cuántica y la construcción de osciladores y amplificadores basados en los principios de los máser-láser. El Año Internacional de la Luz es un proyecto multidisciplinario de educación e investigación con más de 100 socios de 85 países interesados en las tecnologías basadas en luz que esperan interesar a la población en ellas, no solamente como usuarios de “gadgets”, sino como parte de la cultura general, proponerlas como promotores de la economía coordinando actividades internacionalmente. Nuestro país tuvo una participación muy importante en esta celebración ya que la resolución fue presentada por México en la Segunda Comisión de las Naciones Unidas en 2013, y apoyada con la participación de 35 países que resultó en la proclamación del Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz, reconociendo su importancia, cómo éstas ayudan al desarrollo sostenible y ofrecen soluciones a los problemas mundiales en energía, salud, agricultura y educación. Se ha formado un comité nacional en México con la finalidad de promover y coordinar las actividades relacionadas con esta celebración, la página www. luz2015.unam.mx presenta noticias y artículos sobre temas diversos relacionados con la luz y mantendrá al público informado sobre las diversas actividades a desarrollarse durante este año en México, también hay un enlace a la página internacional www.light2015.org Ésta es una oportunidad para incluir a la luz en nuestro acervo de cultura general, ya que durante el año estaremos escuchando con frecuencia notas y comentarios al respecto, conoceremos de los hechos y los mitos, en donde se verá que actualmente la luz se utiliza para mucho más que iluminar o dar color, también es un medio importante para la transmisión de energía y de información. Un antecedente favorable es sin duda el Museo de la Luz en la Ciudad de México (www.museodelaluz.unam.mx), que será parte de la promoción y mejor entendimiento general y político del papel de la luz en el mundo moderno, procurando además que los jóvenes se interesen por la formación científica. Los universitarios tenemos una responsabilidad especial en el éxito de las actividades asociadas a celebraciones de esta naturaleza, especialmente como profesores, ya que con nuestra actividad en el aula, y fuera de ella, influimos decisivamente en el interés de nuestros estudiantes por las cuestiones científicas y sus aplicaciones en la tecnología. La clausura se llevará a cabo en México en 2016, pero las actividades continuarán, ya que solamente se podrá decir que se ha aprovechado esta oportunidad al momento en que se logren aumentar el interés y comprensión de la población el estudio de este campo y se encuentre mayor interés de los jóvenes por realizar en el futuro contribuciones científicas para la solución de problemas específicos de la sociedad. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 7 �Estudio de confiablidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba Armando Díaz ConcepciónA, Julio Abril Romero GarcíaB, Jesús Cabrera GómezA, Néstor Viego ArietB, Centro de Estudios en Ingeniería de Mantenimiento. Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría (ISPJAE). Campus CUJAE, Marianao, La Habana, Cuba. B Empresa de Aviación ECA. Corporación de la Aviación Cubana (CACSA). Boyeros, La Habana, Cuba adiaz@ceim.cujae.edu.cu A RESUMEN En el presente trabajo se caracteriza la actividad de mantenimiento en una empresa de aviación en Cuba. Se evalúan los indicadores de cada elemento integrante de la Confiabilidad Operacional para el sistema de acondicionamiento de aire de las aeronaves IL – 96 – 300, mediante el uso de análisis de Weibull, modelo de Ajuste a la Distribución y cálculo de Disponibilidad, como soporte al mejoramiento del proceso de toma de decisiones. Los resultados del estudio demuestran la baja confiabilidad de este sistema y sus agregados y que las bases de datos no tienen la información para la aplicación de todas las herramientas y modelos. PALABRAS CLAVE Mantenimiento, industria aeronáutica, confiabilidad operacional, toma de decisiones. ABSTRACT In this work the maintenance activity at Cuba´s airline is characterized. All factors integrating each element of Operational Reliability for Environmental Control System in aircraft type IL – 96 – 300 are evaluated using Weibull analysis, Adjust of Distribution model and Availability calculations, for supporting decision-making process. The results of study show the low reliability of this system and its components, and also, data bases don´t have necessary information to apply all the tools and models. KEYWORDS Maintenance, aeronautical industry, operational reliability, decision making. INTRODUCCIÓN El Mantenimiento ha variado más que cualquier otra disciplina durante los últimos años, respondiendo a expectativas cambiantes y a una óptica de 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Estudio de confiabilidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba / Armando Díaz Concepción, et al. nuevos métodos, diseños cada vez más complejos y responsabilidades enfocadas al negocio y la satisfacción de los clientes como meta fundamental. Se requiere por tanto, un conjunto de estrategias, políticas y actitudes sistemáticas para asegurar que un sistema o componente pueda ser operado cuando se necesita. El Mantenimiento, al asegurar un menor índice de fallo, mayor explotación y elevada confiablidad produce un bien real, que puede resumirse en capacidad de producir con calidad, seguridad y rentabilidad.1,4 Dentro de la filosofía de la confiabilidad, un sistema integrado de Confiabilidad Operacional es la unión de metodologías de inspección y análisis de mantenimiento con el cual se generan los mejores planes de inspección y mantenimiento, mediante una perspectiva que enlaza una serie de elementos técnicos, de negocios y filosóficos en una estrategia global, cuyo objetivo es lograr una serie de efectos positivos que ayuden a posicionar a cualquier empresa en la categoría de Clase Mundial.5 En un sistema de Confiabilidad Operacional es necesario el análisis de sus cuatro parámetros operativos: Confiabilidad Humana, Confiabilidad de los Procesos, Mantenibilidad y Confiabilidad de los Equipos; sobre los cuales se debe actuar si se quiere un mejoramiento continuo y de largo plazo.6 En la figura 1 se muestran los elementos integrantes de la Confiabilidad Operacional. La empresa de aviación en la que se realiza el estudio, es un operador aéreo donde el proceso de mantenimiento comprende todo el trabajo que se realiza para conservar la aeronave en condiciones de aeronavegabilidad, teniendo gran incidencia en la seguridad de las operaciones aéreas, por lo que Fig. 1. Elementos integrantes de la Confiabilidad Operacional. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 es una alta prioridad para la máxima dirección de la organización.7 La empresa tiene diseñado un Programa de Confiabilidad para mejorar el mantenimiento de las aeronaves y controlar sus costos, con el objetivo de cumplir los requerimientos propios de sus operaciones, el cual es desarrollado, tomando en consideración las recomendaciones de la Dirección de Ingeniería y Aeronavegabilidad (DIA) del Instituto de la Aeronáutica Civil de Cuba (IACC) y los Fabricantes, así como la experiencia de explotación y el nivel de utilización de las aeronaves, siguiendo el orden que se establece en las Regulaciones Aeronáuticas Cubanas (RAC). De acuerdo con lo anterior, el presente trabajo se orienta a estudiar el mejoramiento del programa de mantenimiento de las aeronaves basado en un análisis de Confiabilidad Operacional, para facilitar la toma de decisiones y optimizar la gestión del mantenimiento. MATERIALES Y MÉTODOS El estudio basado en los indicadores de Confiabilidad Operacional se realiza para el sistema de acondicionamiento de aire (ECS) de las aeronaves tipo IL – 96 – 300, teniendo en cuenta que durante el período de explotación de estas aeronaves, este sistema ha venido presentando un incremento en el número de fallos, lo que ha provocado un grupo de consecuencias operacionales y por tanto, una pérdida en la calidad de los servicios que prestan. El análisis de los agregados del sistema se basa en los reportes de tripulación y mantenimiento e incluye remociones, fallas, chequeos funcionales e inspecciones, demoras y cancelaciones técnicas, interrupciones de vuelo e incidentes técnicos. La información es recopilada y extraída de programas especializados para el almacenamiento de esta información y que sirven como fuente primaria para el procesamiento y elaboración de informes que permitan establecer criterios objetivos de evaluación para tomar acciones de mantenimiento.6 En la tabla I se precisa una relación de los activos con mayor cantidad de incidencias en los fallos del ECS y su influencia cuantitativa en esta contribución. 7 �Estudio de confiabilidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba / Armando Díaz Concepción, et al. Tabla I. Relación de fallos por agregados respecto al total del ECS. Agregados % Válvula 3449 39.3 Válvula 3408 8.4 Válvula 3409 Válvula 3415 Válvula 3173A Turbina de enfriamiento (6671) 29.9 8.4 7.5 6.5 Partiendo de las propuestas de diferentes autores y haciendo un análisis de la influencia de los parámetros y de las consultas a especialistas y personal técnico experimentados en la materia, se obtiene información actualizada para estimar los cuatro elementos de la Confiabilidad Operacional y seleccionar modelos matemáticos para ser estudiados y evaluar su impacto en el binomio operación – mantenimiento, mediante herramientas y el procesamiento estadístico de los datos históricos se evalúa el comportamiento del activo a fin de poder determinar el nivel de operabilidad, la magnitud del riesgo y las acciones de mitigación y de mantenimiento que requiere el mismo para asegurar la continuidad operacional. La confiabilidad en los Procesos y Sistemas contempla la comprensión del proceso, los procedimientos y las operaciones comprendidas dentro del diseño establecido. Inicialmente para determinar la distribución de probabilidad que modela el conjunto de datos se realiza una Prueba de Bondad de Ajuste utilizando el programa de análisis StatGraphics versión 5.1, comprobando que estos siguen una distribución de Weibull en todos los casos,8 por lo que para la valoración de la función de supervivencia se utiliza la ecuación: (1) Donde: α: Escala de Weibull β: Forma o pendiente de Weibull t: Parámetro tiempo. El Tiempo Medio entre Fallos (MTBF) o tiempo de vida promedio de un activo según una distribución de Weibull se obtiene según la ecuación: (2) 8 Donde: Γ: Función Gamma. La mantenibilidad es uno de los indicadores utilizados para caracterizar la actividad de Mantenimiento. El cálculo de esta magnitud se efectúa utilizando los tiempos para reparar (TTR) de cada uno de los activos durante el período, a los datos se le aplicó una Prueba de Bondad de Ajuste utilizando el programa estadístico StatGraphics versión 5.1 con la guía de las pruebas de Kolmogorov – Smirnov y Anderson – Darling. Luego de ser analizados se comprobó que los TTR seguían una distribución de tipo Weibull por lo que para la estimación de la mantenibilidad se utilizó el Método de Ajuste a la Distribución.9,10,11 El cálculo de la disponibilidad8,14,15 está basado en la distribución de fallas y la distribución de tiempo de reparación y muestra la probabilidad de que el equipo esté operando satisfactoriamente en el momento en que sea requerido después del comienzo de su operación y puede ser calculada mediante la ecuación: (3) Donde: Rei: Disponibilidad del activo. tee: Tiempo de trabajo efectivo. tet: Tiempo total de trabajo previsto. El Programa de Control de la Confiabilidad implementado actualmente en la empresa de aviación para evaluar la efectividad de los programas de mantenimiento de las aeronaves, está dirigido solamente hacia los activos, sin tener en cuenta otros factores que influyen en las causas de las fallas y que afectan los procesos críticos y la rentabilidad de la empresa, limitando sus resultados dentro de la organización, al enfocar la confiabilidad únicamente desde la perspectiva del mantenimiento. 12 La propuesta de Confiabilidad Operacional,13 ofrece ventajas en cuanto a la integración y el trabajo de equipo para la toma de decisiones, mediante una serie de procesos de mejora continua, que incorporan en forma sistemática, herramientas de diagnóstico, metodologías de análisis y nuevas tecnologías, para optimizar la gestión del mantenimiento. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Estudio de confiabilidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba / Armando Díaz Concepción, et al. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se requiere analizar cada uno de los parámetros de la Confiabilidad Operacional, para optimizar las características operacionales de los activos más críticos, reducir los costos y garantizar un mejoramiento continuo y de largo plazo. Tabla III. Indicadores de confiabilidad del sistema de aire acondicionado. CON FIAB ILI DAD E N LOS PROCE SOS Y SISTEMAS Los índices de confiabilidad se determinan mediante las ecuaciones 1 y 2, los valores obtenidos para cada activo se presentan en la tabla II. Se puede observar en la tabla II que los valores de β (β >2) son típicos para activos con una probabilidad de fallo creciente. Los valores de confiabilidad obtenidos para cada activo son aproximadamente de un 50 %, lo que está por debajo de los estándares que se exige en la industria aeronáutica. El agregado de menor confiabilidad fue la válvula 3409 con 49.7 % y el de mayor confiabilidad fue la válvula 3408 con 53.6 %. Enfriamiento Turbina 6671 0.5341 Válvula 3408 0.5356 Tabla II. Parámetros de confiabilidad de cada activo. Agregados Parámetro β Parámetro α Turbina 6671 6.40984 11692.2 Válvula 3409 3.30843 10117.2 Válvula 3449 Válvula 3408 Válvula 3415 Válvula 3173A 3.49362 8.1174 3.34192 4.55963 10157.4 Subsistemas Agregados Extracción Válvula 3449 Croos-Feed R(t) R(t) R(t) Agregados Subsistema % Válvula 3409 Válvula 3408 Válvula 3409 Distribución Válvula 3415 Válvula 3173A Sistema 0.5018 0.4969 0.5356 0.4969 88.2 0.953 95.3 0.69 69 0.545 54.5 el de mayor confiabilidad fue el de enfriamiento de aire con 95.3 %. El sistema de acondicionamiento de aire en las aeronaves es un sistema de confort, lo que implica que el fallo de uno de sus componentes o del sistema no afectaría la navegabilidad de la aeronave. La baja confiabilidad de este sistema afecta directamente MTBF (horas) 10871 9132 9080 0.534 R(t) 53.4 0.502 50.2 0.497 53.6 11893.7 10860 0.517 51.7 10030 0.498 R(t) % 49.7 0.536 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 0.882 0.5165 5735 En la estimación de la confiabilidad del sistema se tiene en cuenta la forma en que están interconectados los componentes y subsistemas. En el caso del ECS la configuración de sus subsistemas es en serie, pero en cada subsistema, los agregados se encuentran instalados en una configuración serie, paralelo o mixta, por lo que la disposición del sistema es una configuración mixta. En la tabla III se muestra los resultados de la confiabilidad del sistema tomando en cuenta la de sus subsistemas y agregados. En la tabla III se aprecia que la confiabilidad del sistema de acondicionamiento de aire de las aeronaves IL – 96 – 300 es de un 54.5 %. El subsistema de más baja confiabilidad fue el de distribución con 69 % y 93.8 0.4982 6078.22 11175.9 0.938 49.8 la calidad de los servicios y no atenta contra la seguridad del vuelo. MANTENIBILIDAD DEL EQUIPO En la tabla IV se pueden observar los indicadores de mantenibilidad para cada uno de los activos, comprobándose que la válvula 3415 fue el activo de menor confiabilidad con 35.8 % y la probabilidad de que las tareas de mantenimiento no fueran cumplidas en 8 horas y si entre 8 y 12 fue de 33.9 %. En el indicador del cumplimiento de las tareas de mantenimiento se puede apreciar como el 90 % de las mismas fueron cumplidas en 21,9 horas. El activo de mayor confiabilidad en las acciones de mantenimiento fue la válvula 3173A con 94 %, el 9 �Estudio de confiabilidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba / Armando Díaz Concepción, et al. Tabla IV. Indicadores de mantenibilidad para cada activo. Agregado MTTR M(t2)% P(t1,t2) TTR(0,90) 0.86 6.75 0.999 0.993 8.17 Válvula 3449 0.5398 Válvula 3408 0.86 Válvula 3409 Válvula 3415 Válvula 3173A Weibull (t1=8 horas; t2=12 horas) M(t1)% 0.358 0.944 7.73 6.75 11.76 5.36 cual tiene una probabilidad de que sus tareas de mantenimiento sean cumplidas entre 8 y 12 horas de 98 %. El 90 % de las tareas de mantenimientos fueron cumplidas en 7.5 horas. En el caso de la turbina de enfriamiento 6671 todos los agregados de este tipo que fallaron en el período, fueron reportados como no reparables debido al alto grado de degradación de sus componentes. En la figura 2 se muestra la mantenibilidad del sistema según la disposición de sus agregados, y se puede apreciar que para el sistema durante el período analizado fue de un 96.76 %. 0.993 0.999 0.576 0.999 0.985 0.993 0.339 0.98 10.1 8.17 21.9 7.5 Fig. 3. Disponibilidad de los activos y sistema de aire acondicionado. mismo fue de un 99 %. Esto se debe a la redundancia que presenta la ubicación de los activos y a la función que cumplen los mismos dentro del sistema. Fig. 2. Mantenibilidad de los activos y sistema de aire acondicionado. DISPONIBILIDAD La figura 3 ilustra la disponibilidad de cada uno de los equipos, calculada según ecuación 3, e incluye la evaluación de la disponibilidad del sistema a partir de la disposición de los agregados en el mismo. Puede comprobarse en la figura 3, como para el período en análisis, la disponibilidad del sistema fue de 99 %, siendo el activo de menor disponibilidad las válvulas 3449 con 95.7 %; mientras que los demás activos operaron con una disponibilidad superior al 99 %. Se debe señalar que a pesar de que la confiabilidad del sistema se comportó al 54.5 % la disponibilidad del 10 CONFIABILIDAD HUMANA La Confiabilidad Humana es un factor fundamental y determinante de la Confiabilidad Operacional, pues impacta fuertemente en los demás componentes. La herramienta más conocida y aplicada para el análisis de Confiabilidad Humana es la Técnica para la Predicción de la Tasa de Error Humano, debido a la complejidad de su análisis y la carencia de una base de datos que permitan la realización del mismo, en el presente estudio se decidió no incluirlo y complementar el análisis de Confiabilidad Operacional incorporando los indicadores de Confiabilidad Humana después que se implemente una base de datos que contenga la información necesaria para aplicar esta herramienta. El alcance del estudio de Confiabilidad Operacional permite identificar la eficiencia de los procesos de aseguramiento en las condiciones de explotación de los activos analizados y de los Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Estudio de confiabilidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba / Armando Díaz Concepción, et al. elementos que intervienen en el ECS, pero al no poder incorporar elementos relacionados con las personas, es insuficiente para poder elaborar una propuesta integral, sin embargo, posee un impacto directo en la calidad, superior al Programa de Control de la Confiabilidad utilizado en la empresa de aviación, al incorporar las cálculos de mantenibilidad y confiabilidad en los procesos, ofreciendo una visión más completa para la toma de decisiones. CONCLUSIONES • Se analizaron las características actuales del mantenimiento en la Industria Aeronáutica cubana, concluyéndose que las herramientas vinculadas con los análisis de confiablidad y particularmente las de Confiabilidad Operacional, son poco utilizadas como parte integral del sistema de mantenimiento. • En el proceso de obtención de datos se obtuvo que las bases de datos no cuentan con toda la información necesaria para la aplicación de todas las herramientas y modelos, en específico los relacionados con la Confiabilidad Humana. • Se realizó un análisis de la confiabilidad detallado por activo y el sistema de aire acondicionado en su integralidad; donde se determinó que respecto a la Confiabilidad de Equipo, el activo con menor confiabilidad es la válvula 3409, el subsistema de distribución es el de mayor incidencias y en lo que se refiere a la Mantenibilidad, el activo de menor confiabilidad fue la válvula 3415. BIBLIOGRAFÍA 1. Cabrera Gómez, J. 2003. 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En este artículo presentaremos los orígenes, así como los primeros filósofos y científicos en exponer las ideas que hacen de la nanotecnología lo que hoy es y cómo ha ido creciendo a través del tiempo, para que hoy en día sea considerada una herramienta clave del futuro de la humanidad, debido a las inmensas posibilidades que presenta para un gran número de áreas de interés como la Biología, la Medicina, la industria automotriz y textil, por mencionar algunas. PALABRAS CLAVES Nanotecnología, nanociencia, nanoescala, nanopartícula, Richard Feynman. ABSTRACT Nanotechnology is a science that has been present in civilization since ancient times and has grown rapidly, reaching a peak from the 80s. It is clear that nanotechnology will have an important role in the growth of scientific and technological development in this century. This article presents the origins of this area as well the philosophers and scientists to expose the first ideas of nanotechnology and how it has been evolving over time, so that today it is considered the science of the future due to the immense possibilities for a large number of interest areas such as biology, medicine, automotive industry and textiles. KEYWORDS Nanotechnology, nanoscience, nanoscale, nanoparticle, Richard Feynman. INTRODUCCIÓN La historia de la civilización ha mostrado la habilidad del ser humano por modificar la naturaleza a gran escala, para lograr un beneficio de su entorno natural. La construcción de las pirámides de Egipto y del México prehispánico, la gran muralla China hasta el edificio Empire State en New York, son tan solo algunos ejemplos. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 13 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. Por el contrario, no queda claro en qué momento exactamente los humanos empezaron a aprovechar las ventajas de los materiales en dimensiones nanométricas, se sabe que en el siglo IV a.C. los vidrieros romanos fabricaban cristales que contenían metales nanométricos. Un ejemplo de esto, es la copa que representa la muerte del Rey Licurgo,1 está hecha de vidrio de sosa y cal que contienen nanopartículas de oro y plata. Debido a estas nanopartículas presentes, el color de la copa varía de verde a rojo intenso (figura 1) cuando se le introduce una fuente luminosa en su interior. También la gran variedad de colores que están presentes en los vidrios de las catedrales medievales, se debe a la existencia de nanopartículas metálicas en el vidrio. Fig. 1. Color cambiante de la copa de Licurgo (verde con luz reflejada y rojo con luz transmitida) y una de las nanopartículas de Au que contiene el vidrio.2 Aunque desde tiempos antiguos ya se presentaba el uso de la nanotecnología, no fue hasta tiempos más recientes que se comenzó a poner un mayor interés en esta fascinante área. En 1960 el premio Nobel de Física Richard Feynman presentó una conferencia en el ámbito de la nanotecnología llamada “There is plenty of room at the bottom” en una reunión de la Sociedad Americana de Física,3 donde especuló sobre el potencial y las grandes posibilidades en el estudio del área de lo nanométrico. En esta plática propuso manipular los átomos individualmente para poder construir pequeñas estructuras que poseyeran la mayor variedad de propiedades. Aunque la presentación de Feynman fue hasta los años 60, ya se trabajaba de forma experimental sobre la síntesis de pequeñas partículas metálicas. La única diferencia fue que en ese entonces, no se le conocía como nanotecnología ni se había estudiado el tema de una forma precisa y sistemática. 14 No fue hasta los años 80 que la nanotecnología dio un gran salto en el ámbito científico, con la aparición de nuevos métodos, más apropiados para el estudio y fabricación de nanoestructuras. Un ejemplo de esto ocurre en el año de 1981 cuando se desarrolló un método para obtener cúmulos metálicos mediante el uso de un láser concentrado que permitiera vaporizar metales y formar plasma. Al final, lo importante es no perder de vista la historia de la nanotecnología y sus partículas insignia, iniciada por el fullereno que aseguraba traer grandes cambios en la vida cotidiana, luego llego el nanotubo y sufrió el mismo destino hasta que fue sustituido por el ampliamente estudiado grafeno, el cual deberá esperar, hasta que aparezca una nueva fuente de inspiración que alimente las promesas tecnológicas incumplidas. Un nanómetro (nm) actualmente tiene la aceptación en el Sistema Internacional de Unidades (SI), donde 1 nanómetro es igual 1x10-9 metros.4 A esta escala de la que estamos hablando, se encuentran muy cercanos el tamaño de los átomos y moléculas que componen la materia. Para tener una idea de que tan pequeño es un nanómetro, pensemos en el diámetro de un cabello humano, el cual mide aproximadamente 75,000 nm, la doble hélice del ADN tiene un espesor de 2 nm (figura 2), otro ejemplo es que en una habitación normal hay unas 15,000 nanopartículas por cm3 en el aire. Si estamos dando un paseo por el bosque, usted estará en un ambiente donde habrá alrededor de 50,000 nanopartículas por cm3, en una gran ciudad puede haber hasta 100,000 nanopartículas por cm3, aunque no podemos ver partículas nanométricas se pueden oler algunas, por ejemplo cuando se está horneando un pastel. Las nanopartículas deben cumplir 3 condiciones: que el tamaño este comprendido en 1 y 100 nm por lo menos en una dimensión (0D, 1D, 2D) que las propiedades de los materiales cambien en este rango y que exista un control y entendimiento de lo que se está fabricando. En cuanto al cambio de las propiedades podemos dar el ejemplo del oro, si se compara una moneda de oro con un lingote del mismo material y de la misma pureza, aunque mucho más pequeña, tiene las mismas propiedades físicas y químicas del lingote, como el color, la dureza, el punto de fusión, la densidad, etc. Si hipotéticamente Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. dividimos la moneda en dos partes iguales, cada una de las mitades seguirá siendo dorada, brillante y con todas las propiedades de la moneda entera o del lingote. Al repetir este proceso muchas veces, pasando de los centímetros a los milímetros y de los milímetros a las micras, no debería de haber cambios observables en los pedazos de la moneda de oro. Sin embargo, cuando llegamos a la nanoescala todo cambia, el fragmento nanoscópico de oro ya no es dorado. Una nanopartícula de oro puede ser roja, naranja, purpura o hasta verdosa dependiendo de su tamaño.5 Fig. 2. Diferentes objetos con su tamaño característico. Los objetos cuyo tamaño estará comprendido entre 1 y 100 nm son con los que trabaja actualmente la nanotecnología. Como hemos visto, la nanociencia ha estado presente desde tiempos antiguos hasta la actualidad, y poco a poco se ha ido descubriendo cuales son los límites de lo posible en esta ciencia emergente, que va definiéndose día con día con nuevos y sorprendentes hallazgos. Este trabajo continuo de comprensión y desarrollo, se realiza de manera constante en institutos de investigación y universidades alrededor del mundo, con el fin de lograr un mejor entendimiento y poder aplicar los conocimientos adquiridos, para mejorar la calidad de vida de la humanidad. Historia de la nanotecnología Fue alrededor del año 450 a.C., cuando surgió la filosofía de la escuela atomista. Este era un concepto donde se mencionaba que los átomos eran un bloque Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 básico e indivisible, que componen la materia y el universo. Posteriormente Democrito y Leucipo propusieron la primer teoría atómica llamada “Discontinuidad de la Materia” la cual consistía en que la materia podía ser dividida indeterminadamente hasta obtener pequeñas partículas indivisibles, a estas partículas les llamaron “Átomos”, los cuales constituyen la materia. A partir de esta primer teoría se abrió camino para nuevos modelos atómicos como lo son: el modelo de Dalton (1800), el de Thomson (1897), el modelo atómico de Rutherford (1908), este último ganador del premio nobel, el modelo de Bohr (1913) y el actual modelo de Schrödinger, estos encaminaron el estudio del átomo hasta lo que sabemos hoy en día. “Richard Feynman un hombre con visión” A pesar de que el concepto sobre nanotecnología no es algo fijo y cerrado, sino que se construye poco a poco conforme se efectuan nuevos experimentos, su origen sí parece estar claro para todos, viéndolo desde cualquier ángulo, el nacimiento de esta ciencia resulta indiscutiblemente ligada a Richard Feynman, científico nacido en Nueva York en el año 1918, trabajó en muy diversos temas, destacando los resultados en electrodinámica cuántica, por los que fue galardonado con el premio nobel de física en 1965. Feynman6 hablaba de la posibilidad de crear materiales desde una nueva perspectiva, basada en la manipulación y el control de los objetos tan pequeños como los propios átomos y dijo: “No me gusta considerar la pregunta final de si en el futuro, podremos colocar los átomos como queramos, ¿cuáles serían las propiedades de los materiales si pudiéramos colocarlos de alguna forma favorable? No puedo saber exactamente qué pasaría, pero no tengo la menor duda de que si controlamos la colocación de objetos a una pequeña escala, tendríamos acceso a un amplio rango de propiedades que los materiales pueden presentar y podríamos hacer una gran cantidad de cosas” finalizó. Esta idea que parecía de ciencia-ficción, estaba avalada por el hecho de que, esta manipulación de átomos no contradecía ninguna ley física, por lo tanto no había problema alguno para que pudiera llevarse a cabo. 15 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. El nuevo nombre de la ciencia de lo pequeño El concepto “Nanotecnología”, fue creado en el año de 1974 por el Prof. Norio Taniguchi (figura 3), de la Universidad de Ciencias de Tokio, que decia: “La nanotecnología consiste en el procedimiento de separación, consolidación y deformación de materiales átomo por átomo o molécula por molécula”. 7 Durante este año la nanotecnología comenzó a crecer con fuerza y condujo a los científicos más optimistas a trabajar con empeño en distintos temas. La idea de que en algún sentido se podría tocar los átomos y las moléculas, surgió en la década de los 80, cuando estudiosos apoyados por la teoría propuesta por el Dr. K. Eric Drexler, consiguieron manipular los átomos y las moléculas. Lo cual causó gran controversia de opiniones en la época y dio motivos para que la justicia interviniera, por el temor de que sea usado con intenciones bélicas o ilícitas. Fig. 3. Prof. Norio Taniguchi. Eric Drexler: El primer impulso en tierra firme.7 Drexler, un académico del Massachussets Institute of Technology (MIT), enfatizó su trabajo en el ensamblaje molecular imaginando pequeños robots, construidos a escala microscópica, capaces de manipular y colocar átomos en un lugar adecuado dentro de la estructura atómica del material, con la finalidad de construir moléculas únicas, precisas y muy particulares. 16 Pese a la innovación que Drexler ofreció en sus conceptos, los científicos de la época trataron con escepticismo el tema y al igual que sucedió con la escuela atomista griega y el emotivo discurso de Feynman, la idea parecía sacada de alguna película, especialmente para Richard E. Smalley, quien ganara el Premio Nobel de Química en 1996 por el descubrimiento de los fullerenos. Smalley mencionaba diversos problemas con la idea de fabricar o manipular átomo por átomo para construir un objeto, principalmente debido a lo que llamaba dedos gordos (fat fingers) y dedos pegajosos (sticky fingers), que impedirían dicha manipulación, a lo que Drexler respondía que eso era un problema de ingeniería y no un problema fundamental que impidiera llevar a cabo la idea. Aun así, Eric Drexler logra publicar el primer libro sobre nanotecnología en 1986 titulado Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, también se ve involucrado en el primer simposio de nanotecnología organizado en el Massachusetts Institute of Technology en 1987.8 En el siguiente año, se crea y se lleva a cabo el primer curso universitario de nanotecnología en la Universidad de Standford donde también estuvo involucrado el Dr. Eric Drexler. El curso inició con 50 estudiantes y duró solo 10 semanas.8 Descubrimiento del C60 En 1985 fue la primera vez que se encontró el Fullereno o C60, el cual cuenta con excelentes características físicas, químicas, matemáticas y estéticas y es la tercera forma molecular más estable del carbono. El descubrimiento de la existencia de una molécula con forma de balón de fútbol, que contenía 60 átomos de carbono (figura 4), fue el resultado de investigaciones sobre la naturaleza de la materia en el espacio sideral.9 Este descubrimiento dio nacimiento a estudios sobre la trasmisión de la luz a través del polvo interestelar, las pequeñas partículas de materia que llenan el espacio entre estrellas y galaxias y la extensión óptica, que ocurre cuando la luz de una estrella lejana atraviesa el cosmos, llega a la Tierra y se reduce la intensidad de la radiación. El fullereno C60 conocido también como Buckminsterfullereno, en honor al arquitecto Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. un tubo, con enlaces al final de ella para cerrar sus extremos, dependiendo de su grado de enrollamiento y como se conforma la lámina original, se pueden dar distintos diámetros y geometría interna de tal forma que podemos encontrar múltiples aplicaciones ya sean eléctricas, mecánicas o térmicas. Al estudiarse se encontraron nanotubos monocapa (figura 6) o de pared simple (SWNT) y los multicapa o de pared múltiple (MWNT). Fig. 4 C60 o fullereno. Richard Buckminster Fuller,9 por la similitud con las estructuras que diseñaba. Los 90´s pilar de la nanotecnología Poco antes de comenzar esta década, la compañía IBM, logró una demostración impresionante donde consiguieron escribir el logotipo de la empresa a escala atómica, utilizando 35 átomos de xenón (figura 5), una diminuta lámina de metal cristalino y un Microscopio de Tunelamiento (STM), el cual toma imágenes de superficies a nivel atómico y no solo puede ser usado con vacío, sino también en agua, aire y líquidos o gases presentes en el ambiente a una temperatura que alcanza casi el cero Kelvin hasta cientos de grados Celsius.10 Fig. 5. Logo IBM realizado con xenón sobre níquel.11 Nanotubos de carbono En 1991 se descubre una de las estructuras más interesantes y con gran potencial de aplicación: los Nanotubos de carbono, descubiertos por Sumio Iijima, aunque se cree que la primera evidencia de la naturaleza tubular de algunos filamentos de carbono se publicó en 1952 en el Journal of Physical Chemistry.12 Podemos imaginar a los nanotubos como una lámina de grafito enrollada para formar Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 Fig. 6. Nanotubo de carbono de pared simple. 13 En 1993 se da el primer informe sobre nanociencia realizado por la Casa Blanca. El libro Engines of Creation, se envió a la administración de la Universidad de Rice y estimuló la creación del primer centro de nanotecnología.14 Fue hasta 1994 cuando la University of Southern California (USC) realizó el primer curso basado en un libro de texto el cual tenía por nombre Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation, impartido por el Profesor Ari Requicha, un profesor-investigador portugués que impulsó el crecimiento de la nanotecnología molecular en la USC. En esta década se presenciaron algunos eventos destacables como lo fue el esparcimiento de nuevos centros y grupos de investigación nanotecnológica fuera de Estados Unidos. Se entrega el primer premio Feynman, el cual busca motivar a los investigadores a que sus trabajos se vean orientados hacia el avance y desarrollo de la nanotecnología molecular. En el año 1997 se crea la primera empresa dedicada a desarrollar materiales nanoestructurados e integrarlos en nuevos productos de áreas diversas como la industria automotriz, aeroespacial, marítima, 17 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. de salud y alimentos. Esta compañía continúa hasta hoy sus operaciones y se ha dividido en tres secciones independientes: Zyvex Technologies, Zyvex Labs y Zyvex Instruments. También se lograron grandes avances en tecnologías de computación y simulación virtual, telefonía, internet, así como también en el giro biológico y químico.15 En reconocimiento a los avances en el estudio de la nanoescala, el National Science and Technology Council (NSTC) de la Casa Blanca creó en 1998 la Interagency Working Group on Nanoscience, Engineering and Technology (IWGN). En enero del año 2000, el presidente William J. Clinton dio un discurso al IWGN y habló sobre el mundo a la nanoescala y su gran importancia para la ciencia y tecnología. En febrero del 2000, el presidente dio a conocer la inversión por $497 millones de dólares en el presupuesto del año fiscal 2001 para crear la multi-agency National Nanotechnology Initiative (NNI), que tenía como fin formar una coalición de amplia base en el mundo académico a nivel privado y público, para trabajar juntos y ampliar los límites de la nanociencia y nanotecnología.16 El avance del entendimiento de la nanotecnología ha ido creciendo exponencialmente, en el 2014 se celebró el 40 aniversario del nacimiento de la palabra “Nanotecnología”. Se han realizado muchos descubrimientos a lo largo de este tiempo, pero como podemos ver, aún existen muchas áreas que explorar. Hoy en día no podemos saber el comportamiento de todos los materiales a escala nanométrica, por lo tanto, no podríamos predecir con exactitud donde estaremos en los próximos 40 años, teniendo tanto por conocer. Nanotecnología: La Siguiente revolución Industrial La nanotecnología ha revolucionado la manera de ver el mundo y la forma de hacer las cosas. Ha ingresado nuevas palabras y definiciones en nuestro lenguaje. Desde la primera definición oficial en el año 1999, establecida por la Fundación Nacional de Ciencia (NSF),17 hasta la definición más reciente publicada en el 2010 por la Organización Internacional de Estandarización (ISO) la cual dice: 1. Comprensión y control de la materia y los procesos a escala nanométrica, por lo general; aunque no 18 exclusivamente, por debajo de 100 nanómetros de una o más dimensiones, donde la aparición de fenómenos dependientes del tamaño por lo general permite nuevas aplicaciones. 2. Utilizando las propiedades de los materiales a nanoescala que difieren de las propiedades de los átomos individuales, moléculas y materia a granel o “bulk”, para crear materiales novedosos, dispositivos y sistemas que explotan estas nuevas propiedades. La comprensión de las palabras relacionadas a nanotecnología: Nanoescala, Nanociencia, Nanopartícula, Nanoingeniería, Nanodispositivos, Nanomateriales han ido creando un nuevo léxico. En el área de la investigación los artículos indexados sobre nanotecnología han ido en aumento a partir del año 2000, como se puede observar en la figura 8, lo cual es una consecuencia debido a que entre el año 1991 y 1998 en Estados Unidos; punta de lanza en nanotecnología, se creó el primer programa enfocado a Nanopartículas y la creación de la asociación llamada “Partnerships in Nanotechnology”. Fig. 8. Gráfico de los artículos indexados en los últimos 14 años. En este mismo año en Estado Unidos, se crearon las directrices sobre la investigación de la nanotecnología compiladas en un documento oficial por el Consejo Nacional de Tecnología llamado “Nanotechnology Research Directions” (NSTC).18 Derivado a esto y a la creciente necesidad de nuevo conocimiento especializado y multidisciplinario, paulatinamente se han creado nuevos programas educativos desde niveles básicos como preparatoria hasta grados de doctorado, donde actualmente Asia y América son los que llevan la delantera pero sin dejar Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. atrás a Europa. En países como Japón se han creado institutos de investigación con especialización solo en nanotecnología (figura 9) La nanotecnología es un nuevo mundo, pero no es enteramente una nueva área de aplicación. Los científicos se han inspirado en el comportamiento de la naturaleza ya que está la utiliza continuamente, por ejemplo la habilidad de los Geckos de trepar las paredes utilizando cabellos nanométricos adhesivos, que actúan en conjunto para sostenerlos en el techo o paredes.19 En las hojas de la flor de loto, se pueden ver como su superficie tiene un recubrimiento hidrofóbico que le ayuda a disminuir la humedad, y así podemos dar un sinfín de ejemplos.20 La Nanociencia en base al estudio de la naturaleza ha desarrollado, diseñado y manipulado nuevos materiales y ha creado nuevas aplicaciones en las diferentes áreas. sus propiedades sin incremento significativo en peso, grosor o rigidez. Por dar un ejemplo muy general están las telas del tipo “Nanowhiskers”, las cuales hacen telas resistentes al agua (figura 10) y anti-manchas (self-cleaners),23 también existen prendas con nanopartículas de plata que tienen efectos bactericidas, previniendo la aparición de enfermedades dermatológicas.24 Fig. 10. Superficies hidrofóbicas en textiles para ropa. Fig. 9. Estudios en Nanotecnología por continente.21 Por ejemplo una de las áreas más desarrolladas es la Medicina, el uso de la nanotecnología en el campo de la medicina ofrece posibilidades sorprendentes. Muchas aplicaciones ya están en uso mientras otras siguen en etapa de prueba. Actualmente se está implementado el uso del “Drug Delivery” el cual con ayuda de un dispositivo llamado “Nanocarrier”, que es ingerido por el paciente, viaja por el torrente sanguíneo liberando el medicamento de forma selectiva y eficiente minimizando los efectos secundarios.22 La combinación de estas dos áreas de la nanotecnología cambiara la manera en que detectamos y tratamos el daño al cuerpo humano y enfermedades en el futuro. En el área Textil la elaboración de telas decoradas con nanopartículas o nanofibras permite mejorar Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 NEMS (Nanoelectro Mechanical Systems) Los Sistemas Nanoelectromecánicos tienen la posibilidad de controlar, detectar y activar los dispositivos a microescala y pueden funcionar en conjunto para generar cambios a la macroescala. Existen proyectos a nivel mundial, en los cuales buscan hacer circuitos electrónicos flexibles, incrementar la densidad de memoria de los microchips, mientras que en otros se busca mejorar la velocidad de transmisión de datos entre circuitos integrados o mejorar el enfriamiento de estos dispositivos. La posibilidad de incrementar las capacidades de dispositivos electrónicos, al mismo tiempo en que reducimos su peso y su consumo energético hacen que los NEMS sean el siguiente paso para la “Silicon Revolution”.25 En la industria alimenticia ha impactado, como la comida es: cultivada, procesada y empaquetada. Las compañías están desarrollando nanomateriales que no solo cambiaran el sabor de la comida, sino también en como los nutrientes son adsorbidos en nuestro cuerpo. Además, recipientes de basura con nanopartículas de plata que matan cualquier bacteria, minimizando el riesgo a la salud. Investigadores de Technische Universität München han desarrollado un método para hacer sensores en superficies plásticas 19 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. flexibles que tiene como aplicación medir el tiempo de caducidad del producto. Se están desarrollando pesticidas que solo son liberados en los estómagos de los insectos para minimizar los efectos de la contaminación en plantas. Probablemente uno de los más ambiciosos es la conexión de sensores y dispensadores usados en campos de cultivos que detectan cuando una planta necesita de nutrientes e inmediatamente sean suministrados.26 En el área energética con el apoyo de nanoestructuras y nanopartículas, se ha desarrollado dispositivos fotovoltaicos (celdas solares) más eficientes que las típicas o materiales absorbentes de luz para las mismas (figura 11). Existen diferentes tipos de celdas por ejemplo: celdas solares de nanocristales inorgánicos en medio continuo, con este tipo de celdas se superan los problemas reportados de baja eficiencia de conversión. También podemos encontrar celdas solares sensibilizadas con nanopartículas de PbSe en las cuales se ha encontrado de manera experimental que se puede utilizar los electrones calientes “hot-electrons” que se disipan en forma de calor para generar energía eléctrica.27 de tratamiento que podrían permitir la utilización económica de las fuentes de agua no convencionales para ampliar el suministro de agua. Tabla I Se presentan algunas de las aplicaciones de la nanotecnología.28 Producto Cómo funciona Combinan polímeros y nanopartículas Nanoesponjas de vidrio que se pueden estampar p a r a l a en superficies como las telas para cap taci ón d e absorber agua. Instituto Tecnológico agua de lluvia de Massachusetts, (EUA) Las nanopartículas magnéticas de Nano óxido para óxido de hierro suspendidas en agua la remoción de se unen al arsénico, que luego se arsénico quita con un imán. Universidad de Rice (EE. UU.) Combinación de polímeros y nanopartículas que atrae iones Membranas de agua y repele sales disueltas. desalinizadoras Universidad de California, Los Ángeles y NanoH2O Membrana hecha de polímeros con Membranas de poros de entre 0.1 y 10nm. Saehan nanofiltración Industries. Corea Dispositivo de filtración semejante a una pajita (popote), hecha con Tubo con nanotubos de carbono colocados nanomalla sobre un material poroso y flexible. Seldon Laboratories (EUA) Filtro mundial Filtro pesticidas Fig. 11. Módulos de celdas solares en residencias La nanotecnología en tratamientos de agua El agua es la sustancia más esencial para la vida en la tierra y un recurso muy valioso para la civilización humana. El acceso confiable a agua limpia es considerado una de las metas humanitarias más básicas, y sigue siendo un importante reto mundial. La nanotecnología ofrece oportunidades para desarrollar los sistemas de abastecimiento de agua de última generación, además de capacidades 20 Filtro que usa una lámina de nanofibra hecha a base de polímeros, resinas, cerámica y otros materiales, capaz de eliminar contaminantes. KX Industries (EUA) Filtro que emplea nanopartículas de plata para la adsorción y degradación de tres pesticidas comúnmente de hallados en fuentes de abastecimiento de agua de la India. Instituto Indio de Tecnología de Chennai y Eureka Forbes Limited ( India) Tendencias Cuando Feynman citó aquellas palabras e imagino cosas radicales pero físicamente posibles, se empezó a transformar el mundo, la nanotecnología salió del laboratorio para convertirse en una realidad que está revolucionando al mundo. En la actualidad, podemos encontrar un sinfín de aplicaciones y está al alcance de cualquier bolsillo, con una tendencia a expandir su dominio en cada una de las áreas de la vida cotidiana. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. Fig. 12. Se muestran tendencias de trabajos y ganancias generadas por el sector nanotecnología. En la figura 12 se presentan las proyecciones hacia el 2020,29 donde se puede observar como el interés por la nueva ciencia y su aplicación, está moviendo la educación, el empleo, la ciencia. Esta ante nuestros ojos una nueva revolución, pero a diferencia de lo sucedido en la revolución industrial con el uso desmedido del carbón y sus repercusiones ambientales, la Nanorevolución, llegó de una manera eficiente y amigable con el planeta. AGRADECIMIENTOS A los alumnos, Gildardo Javier Ziga Carbarín, Eduardo E. Carranza Bernal por su participación parcial en el presente trabajo. Al Dr. Leonardo Chávez Guerrero por la dirección y revisión del artículo, durante la clase de Fundamentos de la nanotecnología, en el semestre Agosto-Diciembre de 2014. REFERENCIAS 1. http://www.madrimasd.org/revista/revista35/ tribuna/tribuna1.asp 2. John Mongillo, Nanotechnology 101, Greenwood Press 2007. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 3. http://blogs.creamoselfuturo.com/nanotecnologia/2006/10/03/richard-p-feynman-nobelde-fisica-1965/ 4. International Standards Organization (ISO), TC 229: Nanotechnologies (2010) 5. http://www.oei.es/salactsi/udnano.pdf José Ángel Martín Gago nanociencia y nanotecnología entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro fundación española para la ciencia y la tecnología, 2009. 6. 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Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 23 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión Ever Benjamín Huerta LeijaA, Ernesto Vázquez MartínezB, Gina María Idarraga OspinaB A B Posgrado Ingeniería Eléctrica FIME-UANL Profesor Investigador FIME-UANL evazquezmtz@gmail.com, gidarraga@gmail.com, ever_hl89@hotmail.com RESUMEN En este artículo se describen los principales algoritmos de localización de falla en líneas de transmisión que utilizan mediciones de voltaje y corriente de un solo terminal de la línea, se desarrollan las ecuaciones generales de cada algoritmo y se hace un énfasis en los problemas de aplicación que ocasionan errores en la determinación del punto de falla, se analiza el grado de precisión de los algoritmos utilizando un sistema de potencia de dos máquinas simulado en MATLAB, finalmente, se propone una mejora en el algoritmo de reactancia mediante la estimación de algunas mediciones eléctricas en la terminal remota de la línea de trasmisión aumentando la precisión del algoritmo. PALABRAS CLAVES Localización de falla, resistencia de falla, equivalente Thevenin, línea de transmisión. ABSTRACT The principal single-ended fault location algorithms for transmission lines are described in this paper, the general equations of each algorithm are developed and errors in the estimation of fault location are exposed; an analysis of the accuracy of the algorithms is performed using a two machines power system simulated in MATLAB. A new approach of Reactance algorithm is proposed, the accuracy of the algorithm increases by estimation of electrical measurements at the remote end of the line. KEYWORDS Fault location, fault resistance, Thevenin equivalent, transmission lines. INTRODUCCIÓN La energía eléctrica hoy en día es una de las principales y más importantes fuente de energía, muchas de nuestras actividades diarias no se llevarían a cabo sin este tipo de energía, el constante aumento en la población y la industrialización han hecho que la demanda de energía aumente considerablemente por lo que se tiene que satisfacer los requerimientos de energía, lo que ha ocasionado un crecimiento en el sistema eléctrico. El proceso de distribución de energía eléctrica comienza desde el punto de generación hasta el punto de consumo que puede ser del tipo industrial, residencial o comercial, por lo general el punto de 24 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión / Ever Benjamín Huerta Leija, et al. generación está alejado de las zonas de consumo debido a esto se tiene que transmitir la energía por grandes distancias; esto trae como consecuencia que se incrementen los niveles de tensión para disminuir las pérdidas en las líneas de transmisión; las grandes distancias recorridas por las líneas y las condiciones de las áreas por donde pasan, la hacen susceptibles a fallas por lo que es muy importante tener un sistema de protección confiable. Al ocurrir una falla en una línea de transmisión los sistemas de protección deben operar de manera rápida para liberar la falla y evitar así severos daños a los equipos o personal de campo. La determinación precisa del punto donde ocurrió la falla es crítico, ya que de ello depende el tiempo de reparación por parte del personal de mantenimiento, si la ubicación de la falla no es bien estimada, esto se reflejara en un tiempo mayor en que la línea este fuera de servicio, debido al tiempo invertido por el personal para ubicar el punto de falla. Esto es crítico cuando la línea está ubicada en terreno de difícil acceso (montañas, pantanos, etc.). Así mismo el tiempo que la línea este fuera de servicio puede afectar la estabilidad del sistema de potencia si se presentan incrementos en la demanda durante este tiempo.1 La mayoría de los algoritmos de localización determinan la ubicación de la falla como la impedancia de la línea de transmisión entre la protección y el punto de falla, utilizando los fasores de voltaje y corriente de secuencia positiva, estos algoritmos se dividen en dos tipos: Algoritmos de un solo terminal, estos algoritmos solo utilizan la información de un extremo de la línea y no requieren información del extremo opuesto. Estos algoritmos tiene un error en la localización de la falla entre un 10 y un 40% de la longitud de la línea.2 Algoritmos de dos o más terminales, estos algoritmos requieren la información del extremo opuesto de la línea protegida lo que aumenta su precisión respecto a los de un solo terminal. Estos algoritmos requieren de facilidades de comunicación para intercambiar información entre las terminales de la línea. El error de este tipo de algoritmos es menor al 5%.3 Existen otras técnicas de localización de falla que además de utilizar los fasores de secuencia Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 positiva utilizan otro tipo de información. En 4,5 se hace uso del fenómeno de onda viajera en el cual se consideran las ondas de voltaje y corriente viajando prácticamente a la velocidad de la luz desde el punto de falla hasta las terminales de la línea; estos métodos son considerados muy exactos, sin embargo para su aplicación requieren altas frecuencias de muestreo y el uso de TC y TP ópticos por su mayor ancho de banda. En 6,7 se hace uso de las componentes de alta frecuencia de voltaje y corriente generados por las fallas, que viajan entre la falla y las terminales de la línea; estos métodos son una buena alternativa en comparación a los basados en ondas viajeras, sin embargo son sensibles al ruido, por lo que requieren del uso de filtros sintonizadores para la medición de las componentes de alta frecuencia. En este trabajo se hace énfasis en los algoritmos de localización de fallas de un solo terminal, cuáles son los problemas que provocan errores en la determinación del punto de falla y por último se propone una mejora del algoritmo de reactancia mediante la estimación de algunas mediciones eléctricas del extremo remoto de la línea de transmisión fallada. ALGORITMOS DE LOCALIZACIÓN DE FALLA DE UN SOLO TERMINAL Este tipo de algoritmos hacen uso de los fasores de voltaje y corriente de un solo terminal de la línea protegida, su principal ventaja es que no requieren comunicación con el extremo remoto de la línea por lo que los hacen los más utilizados cuando no se cuenta con la capacidad de comunicación; el problema de estos algoritmos es que se desconoce la magnitud de la corriente de falla del extremo remoto lo que provoca errores en la estimación del punto de falla. Estos errores son debido principalmente a la resistencia de falla y a los ángulos de las impedancias equivalentes a ambos extremos de las líneas. Los algoritmos se diferencian entre sí según la forma en que compensan el error producido por la resistencia de falla al momento de calcular la distancia a la falla. En la figura 1 se presenta el diagrama unifilar de una línea de transmisión corta con una impedancia total ZL=RL+jXL (se desprecia el efecto capacitivo), 25 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión / Ever Benjamín Huerta Leija, et al. conectada entre dos sistemas representados por sus equivalentes Thevenin (EA, ZA, EB, ZB), donde ocurre una falla en el punto F, con un valor de resistencia de falla Rf. La impedancia a la falla desde la terminal A es mZL, donde la distancia a la falla se representa por m, que es una magnitud normalizada con respecto a la longitud de la línea, donde 0<m<1, tal que si m=0 la falla esta al inicio de la línea y si m=1 la falla ocurre al final de la línea. Considerando que el localizador de falla está en la terminal A, de la figura 1 se deduce: Algoritmo de reactancia8,9 El algoritmo de reactancia se basa en la determinación de la componente imaginaria de la impedancia medida en condiciones de cortocircuito. Partiendo de (1): Tomando la componente imaginaria de (2): (1) Donde son el voltaje y la corriente en la terminal “A” de la línea, es la corriente total de falla, que es la suma de las corrientes de falla desde ambas terminales de la línea, , y m es la distancia a la falla. Así el cálculo de m depende del voltaje y la corriente local (terminal A) y del valor de la corriente total de falla, . De lo anterior se concluye que el término representa el error en la estimación del punto de falla; en el caso de una falla sólida, donde Rf=0, el error de estimación sería nulo. Sin embargo, el valor Rf siempre está presente, y representa el valor de la resistencia de arco para una falla entre fases o la suma del valor de la resistencia de arco más la resistividad del terreno para una falla a tierra. A continuación se describen los algoritmos de Reactancia,8,9 Takagi,10 Novosel11 y Phadke12 que no requieren conocer las impedancias equivalentes de los extremos de la línea pero realizan ciertas consideraciones para reducir el error debido a que no se conoce la información de lado opuesto de la línea de transmisión. Algunos de estos algoritmos se utilizan en los relevadores comerciales, e.g. los relevadores GE utilizan el algoritmo de Takagi para la localización de fallas.11 (2) (3) (4) Haciendo la aproximación de que en (4) la Rf es muy pequeña o cero, la expresión de la distancia a la falla queda: (5) donde son el voltaje y la corriente medidos por el localizador, que se forman de acuerdo al tipo de falla según la tabla I. En la tabla I se define como: (6) donde son las impedancias de la línea de secuencia cero y positiva respectivamente. El error provocado por la corriente de falla está dado por: (7) Tabla I. Voltajes y corrientes medidos por el localizador de falla. Tipo de falla at bt ct ab,abc,abt bc,abc,bct ca,abc,cat Fig.1 Sistema unifilar de un sistema fallado, con modelo de línea corta. 26 abct Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión / Ever Benjamín Huerta Leija, et al. El error es nulo en 2 escenarios, primero si Rf=0 y segundo si están en fase, esto quiere decir que no hay generación en el extremo remoto de la línea o cuando el desfasaje de las fuentes de generación es cero (δ=0) y el sistema es homogéneo (las impedancias del sistema tienen ángulos iguales); no obstante este escenario es poco factible que ocurra en la práctica. Algoritmo de Takagi10 El algoritmo de Takagi trata de eliminar el error del algoritmo de reactancia multiplicando el término del voltaje en la falla por una magnitud tal, que el resultado sea real. En la figura 2 se muestran los circuitos equivalentes de prefalla y falla respectivamente para la línea descrita en la figura 1. De la figura 2 se tiene: (8) Sea , de donde: (9) Multiplicando (1) por el conjugado complejo de (9), se tiene: (10) De (9) y (10) se obtiene: (11) Tomando la parte imaginaria de (11) se elimina el término que contiene a Rf: (12) De donde: (13) (14) Takagi hace la aproximación α=0 y resulta: (15) La suposición de α=0 hace que el factor de distribución de corriente (KA) queda como número real lo que equivale a suponer que el sistema es homogéneo, introduciendo un error en la estimación del punto de falla cuando el sistema no lo es. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 Fig. 2. Circuitos equivalentes de prefalla (a) y de falla (b) para un cortocircuito trifásico en el sistema de la figura 1. Algoritmo de Novosel11 El algoritmo de Novosel, constituye una versión mejorada del algoritmo de Takagi en que no se requiere conocer las impedancias de las fuentes, tampoco supone que el sistema es homogéneo, la suposición se basa en que las redes de secuencia positiva y negativa son homogéneas más no la de secuencia cero. En el algoritmo de Novosel se considera que el factor de distribución de corriente de secuencia negativa es un número real, y se obtienen ecuaciones en que el factor de distribución de corriente de secuencia cero no afecta la exactitud del estimado de la localización de la falla cuando ésta involucra tierra. Además, la exactitud del algoritmo no se ve influenciada por la magnitud del factor de distribución de la corriente de secuencia negativa. Esto ocasiona que se tenga una ecuación para cada tipo de falla. 27 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión / Ever Benjamín Huerta Leija, et al. Falla monofásica a tierra En este tipo de falla las redes de secuencia quedan conectadas en serie (16) y la corriente medida por el localizador de falla en la fase ‘a’ es: (17) El voltaje medido por el localizador es: (18) Suponiendo que la red es homogénea, es decir el ángulo de K1=0 resulta: (19) Descomponiendo (19) en sus partes real e imaginaria se obtienen dos ecuaciones con dos incógnitas m y k, resolviendo el sistema de ecuaciones para eliminar k se obtiene la distancia a la falla, quedando: (20) En (20) se utiliza la corriente de secuencia positiva de tal forma se desprecia el desbalance existente en la línea en el estado estable. Falla bifásica a tierra Siguiendo un procedimiento similar con la excepción de que la en la falla bifásica las redes de secuencia quedan en paralelo, la expresión de la posición de la falla queda como: (21) Falla bifásica En (22) se indica la posición de la falla para una falla bifásica. En este caso las redes de secuencia positiva y negativa se conectan en paralelo. (22) 28 Falla trifásica En el caso de la falla trifásica solo se utiliza la red de secuencia positiva, de acuerdo al algoritmo de Novosel se pueden utilizar las señales de cualquiera de las tres fases y la posición de la falla está dada por: (23) Algoritmo de Phadke12 En este algoritmo el voltaje medido por el localizador de falla es representado por: (24) es la corriente en el lado “A” de la fase es la corriente de secuencia cero en el dónde “a” y lado“A”. Representando la corriente de falla en función de la componente de secuencia positiva y del factor de distribución de corriente correspondiente: (25) Entonces, sustituyendo (25) en (24) se obtiene: (26) Descomponiendo (26) en sus partes real e imaginaria se obtienen dos ecuaciones con dos incógnitas m y k, resolviendo el sistema de ecuaciones para eliminar k se obtiene la posición de la falla: (27) Esta expresión ha sido definida como algoritmo de Phadke de corriente total de falla. MODIFICACIÓN DEL ALGORITMO DE REACTANCIA El algoritmo de reactancia trata de determinar la componente imaginaria de la impedancia de secuencia positiva medida en condiciones de cortocircuito, para hacer una comparación con la impedancia de la línea y de esta manera determinar la posición de la falla. Este algoritmo es preciso cuando no hay fuentes en el otro extremo de la línea o los ángulos de los voltajes son Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión / Ever Benjamín Huerta Leija, et al. iguales en ambos lados, sin embargo estos escenarios son pocos factibles que ocurran en la práctica y tiene como consecuencia que este algoritmo pierda precisión en la localización de la falla. Mediante la estimación de mediciones tales como corriente y voltaje del otro extremo de la línea es posible aumentar la precisión del algoritmo de reactancia. En la figura 3 se indican las mediciones locales disponibles por el localizador (lado 1) y las mediciones que se pretenden estimar en el lado remoto de la línea (lado 2). Fig. 3. Mediciones utilizadas en el algoritmo de reactancia modificado. A partir de I1 y de P1 se puede estimar P2 como: (28) donde el signo depende de la dirección de la potencia antes de ocurrir la falla. De igual forma la magnitud de V2 se puede estimar como: (29) donde ∆V es: (30) Adicionalmente, a partir de la ecuación de transferencia de potencia en una línea de transmisión se puede determinar el ángulo (δ2) de V2, como: (31) Suponiendo una tasa de transferencia relativamente baja es decir cos (θ1)=cos(θ2), de la ecuación de potencia de carga obtenemos la magnitud de la I2. (32) y de la diferencia angular del ángulo del factor de potencia obtenemos ángulo (α2) de I2. (33) Partiendo de (1) y resolviendo para m queda (34) Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 definiendo donde: Sustituyendo (34) en (33) (35) (36) (37) Tomando solo la parte imaginaria de (36) la ecuación para determinar el punto de falla es: (38) Además de las mediciones locales de voltaje y corriente , en (38) se necesita conocer el valor de KA, que depende de la corriente de falla (IF), de donde se desconoce la corriente del lado remoto , con las consideraciones vistas anteriormente, se puede hacer una aproximación de la corriente que tomándola en cuenta puede reducir el error en la estimación del punto de falla. EVALUACIÓN DE ALGORITMOS Sistema de prueba En la figura 4 se muestra el sistema de potencia utilizado para analizar el desempeño de los algoritmos de localización de falla, el cual consta de 2 generadores de 60 Hz unidos por una línea de transmisión de 400 kV con una longitud de 200 km. La determinación del punto de falla se realiza con respecto al terminal A. Los datos del sistema se resumen en la tabla II. Descripción de casos de prueba El desempeño de los algoritmos de localización de falla descritos así como la modificación al algoritmo de reactancia se realiza para dos tipos de falla. Primero se simulará una falla monofásica variando la ubicación de la falla entre un 20 % y 60% de la Fig. 4 Sistema utilizado para la evaluación de los algoritmos. 29 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión / Ever Benjamín Huerta Leija, et al. Tabla II. Datos del sistema. Longitud R1 R0 L1 L0 C1 C0 R1 L1 Línea 200 km 0.031311 ohm/km 0.31486 ohm/km 0.0010443 H/km 0.0032994 H/km 1.11522x10-08 F/km 7.34092x10-09 F/km Generadores 0.8929 ohm 0.01658 H longitud de la línea, con una resistencia constante de falla de 10 Ω y una diferencia angular constante entre las fuentes de 30°; en este caso el terminal remoto está definido como un bus infinito. En segunda instancia se simulará una falla monofásica al 50 % de la línea variando la resistencia de falla desde 0 hasta 10 Ω y una diferencia angular entre las fuentes de 30°. El sistema de prueba y la implementación de los algoritmos de localización de falla se realizaron en Simulink/Matlab. RESULTADOS En las tablas III y IV se presenta un resumen de los resultados de localización de falla obtenidos por los algoritmos de Reactancia, Takagi, Novosel, Phadke y Reactancia modificado para dos escenarios, el primero es la variación de la posición de la falla en la línea (tabla III), y el segundo es la variación de la resistencia de falla (tabla IV). En ambos escenarios se observa que el algoritmo de reactancia es el que presenta el mayor error en la estimación del punto de falla (32.5% en promedio en ambos escenarios); por otra parte, los algoritmos de Takagi, Novosel y Phadke tienen un menor error en la estimación del lugar de falla, de estos tres algoritmos, el de Phadke es el que presenta el menor error en promedio (18.5%). En lo que respecta al algoritmo propuesto de Reactancia modificado, el error de estimación es de 6.45%, lo que representa una mejora del 39% respecto al algoritmo de Reactancia original. 30 Tabla III. Resultados para una falla monofásica Rf=10 Ω y δ=30° Distancia 20% (40 km) 40% (80 km) 60% (120 km) m Reactancia Takagi Novosel Phadke Reactancia modificado 33.74 55.52 36.58 36.58 46.56 53.72 93.62 64.34 64.34 86.94 64.9 126.44 89.76 89.76 127.14 Tablas IV. Resultados para una falla monofásica en m=0.5 (100 km) y δ=30° Rf m (Ω) Reactancia Takagi Novosel Phadke Reactancia modificado 0 72.28 129.26 72.95 84.18 10 60.44 110.78 77.38 77.38 5 66.2 119.6 80.8 80.8 98.16 102.56 107.02 CONCLUSIONES En este artículo se describen los algoritmos de localización de fallas que utilizan información de un solo terminal de la línea de transmisión fallada y se desarrollaron las ecuaciones generales de cada algoritmo. Estos algoritmos tienen problemas de precisión debido a la presencia de R f y al desconocimiento de la información del extremo opuesto de la línea de transmisión. Se analizó el grado de precisión de los algoritmos y finalmente se propuso una modificación del algoritmo de reactancia, mediante la estimación de algunas mediciones del extremo opuesto de la línea de transmisión. Los resultados muestran un aumento en la precisión del algoritmo de reactancia. REFERENCIAS 1. M.M Saha; J. Izykowski ; E. 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Esta función está hecha para Maxima, el sistema de álgebra computacional publicado bajo la Licencia Pública General de GNU. Se compara contra alternativas similares mostrando ventajas como: la posibilidad de ingresar funciones periódicas segmentadas; permite utilizar información sobre la simetría de la función; despliega la serie de manera clásica o compleja, además permite obtener las constantes de la serie integrando término por término con el objetivo de obtener la expansión en aquellos casos en los que al menos uno de sus coeficientes es indefinido. Las series de Fourier son indispensables, tanto en matemáticas puras como en las aplicadas. El código desarrollado para este trabajo, tiene el potencial de facilitar significativamente el uso de esta valiosa herramienta. PALABRAS CLAVE Series de Fourier, álgebra computacional y enseñanza de las matemáticas en ingeniería. ABSTRACT The Fourier() function for symbolic calculation of series is proposed. This function is made for Maxima, a computer algebra system released under the GNU General Public License. It is compared against similar alternatives, showing advantages such as: possibility of entering segmented periodic functions; allows the use of information about the symmetry of function; display series in a classical or complex manner. It also allows to obtain the constants of the series by integration term by term aiming to obtain the series in cases where at least one of its coefficients is undefined. Fourier series are indispensable in both, pure and applied mathematics. The code developed for this work, has the potential to provide significant aid using this valuable tool. KEYWORDS Fourier series, computer algebra and mathematical education in engineering. INTRODUCCIÓN Una función periódica es aquella cuyos valores se repiten a intervalos constantes de la variable independiente. Al valor del intervalo se le denomina 32 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () / Sergio David Madrigal Espinoza, et al. período. Funciones trigonométricas elementales como seno y coseno son ejemplos. Diversos fenómenos naturales, como las ondas, pueden ser representados como funciones periódicas. En términos matemáticos, una función periódica f(t) es aquella que cumple la siguiente propiedad: donde t es la variable independiente y T es la constante que representa el período de la función. En las funciones trigonométricas mencionadas, T es igual a 2π. Se utiliza t, en vez de x, ya que la variable independiente suele ser el tiempo. Una serie de Fourier es la suma de una infinidad de funciones ortogonales, usualmente senos y cosenos, que se utiliza para representar cualquier función periódica que cumpla las condiciones de Dirichlet. Se definen estas condiciones para un período de la siguiente manera: 1) La función debe tener un número finito de discontinuidades; 2) El número de máximos y mínimos debe ser finito; 3) La integral del valor absoluto debe ser finita. La forma típica de estas series es la siguiente: donde w= 2π/T. Las constantes de la serie se calculan de la siguiente manera: Esta deducción supone que f(t) esta definida sobre el intervalo t0<t≤t0+T. Las series de Fourier se utilizan en el análisis de fenómenos periódicos. En general pueden ser empleadas para solucionar ecuaciones diferenciales en derivadas parciales, como la de calor, por citar un ejemplo. El cálculo de cada una de las constantes de la serie de Fourier puede ser un proceso que implique la solución de muchas integrales; al menos tantas como el número de segmentos que tenga la función. Es común que los cursos de series de Fourier que se imparten en facultades de ingeniería, se centren en Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 la forma de simplificar los cálculos; se enfocan en el tipo de simetría de f(t) y dejan «para otra materia» su aplicación en problemas clásicos de la ingeniería. Existen en el mercado opciones computacionales que pueden ayudar tanto a quienes aprenden así como a quienes aplican estos cálculos. Los programas Maple® y Mathematica®, que se orientan al cálculo simbólico, pueden ser utilizados para la solución de integrales. En estos programas se utilizan funciones para calcular directamente la expansión en serie de Fourier de una función periódica. Una opción a estos programas comerciales por los que se debe pagar licencia, es Maxima, que es un programa orientado al cálculo simbólico, gratuito y de código abierto, lo cual fomenta que la comunidad de usuarios extienda su funcionalidad continuamente. Para encontrar expansiones en series de Fourier, este programa ofrece fourie, que es un paquete (conjunto de archivos de código) que «carga» varias funciones para trabajar con estas series, pero que presenta las siguientes limitaciones: 1. No trabaja con funciones segmentadas; 2. La función periódica debe estar definida sobre el intervalo ; 3. No permite el aprovechamiento de simetrías; 4. No ofrece solución para cuando alguno de los coeficientes resulte indefinido; 5. No ofrece ninguna facilidad para crear gráficas de la serie de Fourier. En este trabajo se presenta la función Fourier(), elaborada especialmente para suprimir las faltas anteriores. Este logro es de utilidad, no solo para quienes están aprendiendo series de Fourier, sino para todo aquel que necesite de esta herramienta para realizar su labor. La función es comparada contra las alternativas que ofrecen Maple y Mathematica, así como contra fourie. Además de un catálogo de simetrías mas amplio, Fourier() tiene la ventaja de ofrecer la integración de los coeficientes de la serie uno por uno, lo que sirve en aquellas situaciones en las que al menos un coeficiente es indefinido. Este trabajo complementa al de Madrigal et al.1, donde se describe como utilizar Maxima para realizar transformadas de Laplace. La teoría del presente artículo fue tomada de textos típicamente empleados para el estudio de las series de Fourier.2–5 33 �Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () / Sergio David Madrigal Espinoza, et al. BREVE DESCRIPCIÓN DE MAXIMA Maxima es descendiente del sistema Macsyma, programa realizado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Muchos sistemas posteriores, tales como Maple y Mathematica están inspirados en él. La rama Maxima de Macsyma fue mantenida por William Schelter desde 1982 hasta su muerte en 2001. En 1998 él obtuvo permiso para liberar el código fuente bajo la licencia pública general (GPL, por sus siglas en inglés) de GNU. Gracias a su esfuerzo y habilidad, Maxima fue posible. Hay más información en http://maxima.sourceforge.net/es/. Maxima está disponible en Windows, Linux y MacOS X. En la página citada, se detallan las instrucciones para descargar e instalar Maxima y hay diversos manuales para el uso de este programa. Este software es de línea de comandos. Por ejemplo, si se desea obtener la integral de x2dx, se escribe lo siguiente: (%i1) integrate(x**2,x); (%o1) En la línea (%i1), se escribe la operación mientras que en la siguiente, (%o1), Maxima regresa el resultado. INSTALACIÓN Y FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE FOURIER() La función Fourier() ha sido probada en Windows, Linux y Mac OS, utilizando xMaxima y wxMaxima; interfaces gráficas que facilitan su uso. En estos dos últimos, funciona en el modo de consola. Para utilizar esta función en una sesión de Maxima, se debe cargar el archivo fs.mac de la siguiente manera: (%i1) load(“/directorio/que/contiene/fs.mac”)$ El archivo fs.mac, al que por conveniencia se referirá como paquete fs, se debe localizar en el directorio indicado. Para conseguir este paquete, se debe enviar un correo a la dirección sergio.madrigal. espinoza@gmail.com con el asunto: Función Fourier(). Para escribir este trabajo, se decidió utilizar wxMaxima, ya que esta es la interfaz gráfica más pulida; permite crear gráficas dentro de las líneas de instrucciones y exportar la sesión a L ATEX. El paquete fs proporciona la función Fourier(). 34 La entrada de la función, debe ser una sucesión cuyo primer valor es la variable independiente (t, x, etc.). Los demás valores representan la función periódica. Suponga que se tiene la siguiente función: (1) con T=2π. Para encontrar la expansión en serie de Fourier de f(t), se escribe en la línea de instrucciones lo siguiente: Se describe a continuación la interpretación de los resultados: T: El período de la función. w: La rapidez angular. : Constantes de la serie de Fourier. fs(t, nmax): Expansión en serie de Fourier de f(t), con nmax términos. Note que la función supone que T es la distancia entre el segundo y el último término de la sucesión ingresada a Fourier(). La función Fourier() supone que f(t) no exhibe simetría, entre otras cosas. Al momento de su desarrollo, se debía elegir entre varias funciones, cada una que representara uno o varios conjuntos de opciones, o una sola función que hiciera el trabajo y que tuviera varias opciones. Se decidió por esto último para simplificar la sucesión correspondiente a la entrada de la función, las opciones son establecidas desde fuera mediante indicadores globales (global flags). A continuación se detallan las opciones de Fourier(); los indicadores globales asociados a estas con ejemplos. Gráficas El indicador global asociado a las gráficas es fsplot. Sus posibles valores son: Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () / Sergio David Madrigal Espinoza, et al. none: Opción por omisión. Indica que no se desea ningún gráfico. normal: Esta opción se debe utilizar si se desea un gráfico de la serie de Fourier independiente de la interfaz de Maxima que se esta empleando. Se recomienda su uso en modo de consola o con la interfaz xMaxima. wx: Se recomienda esta opción si se trabaja con la interfaz wxMaxima. El resultado será una gráfica incrustada en la línea de resultados. Otro indicador global asociado a las gráficas es maxConst, cuyo valor por omisión es 10. Esto implica que la gráfica de la serie de Fourier utilizará 10 términos de la suma. Si se desea cambiar este valor a 50, por decir algo, se debe ingresar maxConst:50 a la línea de instrucciones de Maxima. Suponga que se desea la gráfica asociada a la expansión de f(x)=x para x [0,π] con 100 términos de la suma. Se debe escribir lo siguiente: El aviso “plot2d:expression evaluables to non numeric values somewhere in plotting range” se produce al graficar funciones segmentadas (la línea roja) no debe causar preocupación. Us: Es la opción por omisión. Implica que la función periódica no exhibe simetría (Unsymmetric). Even: Para funciones periódicas con simetría par. Odd: Impar. HW: Media onda. EQW: Cuarto de onda par. OQW: Cuarto de onda impar. La información sobre simetría puede ser utilizada para simplificar la sucesión que se ingresa a Fourier(). Suponga que se tiene la siguiente función periódica con T=4π: Puesto que esta es una función periódica con simetría de cuarto de onda impar, basta especificar a Fourier() el tercer segmento, que va de cero a π. Simetrías Mediante el indicador global sym, se puede especificar a Fourier() el tipo de simetría que exhibe la serie. Sus posibles valores son: La información sobre la simetría simplifica hasta en cuatro veces la entrada de Fourier(). La expansión en serie de Fourier de f(t) se aproxima bastante bien con tres términos de la suma. Cuando se utilizan las simetrías HW, EQW y OQW, la constante n puede ser sustituida por k para k= 1, 2, . . .. Esta es una práctica usual en cursos sobre la materia; se acostumbra escribir a(2k−1) y b(2k−1) en lugar de a(k) y b(k), respectivamente. Fig. 1. Gráfica resultante de la instrucción (%i3). Fig. 2. Gráfica resultante de la instrucción (%i6). Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 35 �Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () / Sergio David Madrigal Espinoza, et al. Cuando el valor de sym sea diferente al valor por omisión, la función periódica debe ser especificada partiendo desde cero. Siempre es posible especificar una función simétrica de esta forma. Si la simetría es par, impar o de media onda, el segmento que se debe especificar es el que va de cero a T/2. Si la simetría es de cuarto de onda, el segmento que se necesita especificar es el que va de cero a T/4. Forma de la serie de Fourier El indicador global fsf se utiliza para especificar la forma de la serie de Fourier. Sus posibles valores son: Classic: Forma clásica de la serie de Fourier. La función periódica es representada como la suma ponderada de senos y cosenos. Complex: Forma compleja. Suponga que se desea encontrar la forma compleja de la expansión en serie de Fourier de f(t)=t2 para 0<t≤π con T=π. Esta expansión debe ser encontrada con los valores por omisión de los indicadores globales. Cada vez que el paquete fs es cargado, los indicadores globales toman sus valores por omisión. Por tanto: Si se indica graficar la serie, lo que se observa es el gráfico de la expansión clásica en lugar de la compleja. Integración término por término En algunas ocasiones, no sera posible obtener las constantes de la serie de Fourier como un «término enésimo». Esto ocurre cuando al menos una de las 36 constantes es indeterminada. Este es un problema que tiene una solución sencilla, pero que consume más tiempo computacional. Se debe integrar cada término para cada valor de n. Para activar esta opción se debe utilizar el indicador fsv. El valor por omisión de éste es false. Si se desea integrar término por término se debe escribir fsv:true. Para comprender mejor esta situación, se utilizará la siguiente identidad trigonométrica: Esta identidad puede ser deducida con análisis trigonométrico elemental. Sin embargo, es posible utilizar series de Fourier para demostrarla. Se procede como sigue: Observe que a(n) = 0 para n=1,3,4,5, . . .. La única excepción es a(2) = 1/2. Esto dificulta la solución de la integral asociada a esta constante; es la razón por la cual se necesita integrar cada término. Cabe aclarar que estas líneas de código no constituyen una demostración per se; su propósito es dar una idea de como sería dicha demostración utilizando series de Fourier. COMPARACIONES En la tabla I se detallan las principales características de Maple, Mathematica y Maxima. La característica multiplataforma, implica que el programa está disponible para Windows, Macintosh y Linux. En la tabla II se describen las características principales de cuatro paquetes, asociados a los programas anteriores, para el cálculo simbólico de series de Fourier. Mathematica es el único programa que no necesita añadidos para trabajar con series de Fourier, ya Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () / Sergio David Madrigal Espinoza, et al. Tabla I. Comparación entre sistemas de cómputo algebraico. Tabla II. Comparación entre diferentes paquetes. que tiene esta capacidad incorporada y ofrece seis funciones para trabajar. También ofrece funciones para realizar la transformada de Fourier, pero esas funciones no forman parte de este recuento. El paquete fourie de Maxima ofrece 16 funciones para el trabajo con series de Fourier, sin considerar la transformada. El paquete fs ofrece solo la función Fourier(). Sin embargo, con esta función y sus opciones se puede realizar prácticamente todo el trabajo. Todos los paquetes ofrecen la capacidad de trabajar con la forma senoidal y cosenoidal con excepción del paquete fs. Este es un tema para trabajos futuros. El paquete fourie de Maxima es el único que carece de soporte para trabajar con la forma compleja de la serie de Fourier. FourierSeries y fs son los únicos que permiten trabajar con funciones segmentadas. Esta es una gran ventaja sobre otras alternativas, ya que la mayoría de las funciones periódicas con las que se trabaja son de este tipo. Con la función Fourier(), es posible utilizar información sobre la simetría de la función para simplificar la captura de la misma. Es la única función que ofrece esta facilidad. Esto puede reducir la dificultad de la captura hasta en cuatro veces. Por último, pero no menos importante, Fourier() es la única función que permite integrar las constantes Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 una por una. Esta función será indispensable en aquellos casos en los que al menos un segmento tenga una o más constantes indefinidas. CONCLUSIONES Se propuso una función para el cálculo simbólico de series de Fourier. La función trabaja en Maxima, el programa de álgebra computacional publicado bajo la licencia GNU GPL. Con ejemplos se mostró el funcionamiento básico de esta función y sus posibilidades. Se comparó el desempeño de la función desarrollada en este trabajo contra alternativas similares. Sus principales ventajas son: la posibilidad de trabajar con funciones segmentadas; el uso de información sobre la simetría de la función para facilitar su captura y la integración término por término de los coeficientes. Una ventaja implícita de esta función es que aquí se ofrece sin tener que pagar licencias ya que al igual que Maxima es gratuita. REFERENCIAS 1. S. D. Madrigal Espinoza, R. Cantú Cuellar, and F. E. Treviño Treviño. Transformadas de Laplace con Maxima. In VIII Congreso de Ingeniería Industrial y de Sistemas, Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, Septiembre 2013. ISBN: en trámite. 37 �Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () / Sergio David Madrigal Espinoza, et al. 2. Dennis G. Zill. Ecuaciones diferenciales, con aplicaciones de modelado. Thomson, Seneca 53, Col. Polanco, México, D. F., C. P. 11560, 6 edition, 2000. 3. Murray R. Spiegel. Transformadas de Laplace. McGraw Hill de México, México, D. F., 1991. 4. Earl D. 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Torres Hernández, Alejandro Altamirano Torres Departamento de Materiales, Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco yagheto@gmail.com, aat@correo.azc.uam.mx RESUMEN En este estudio se presenta la extracción de quitina a partir de exoesqueletos de camarón blanco (Litopenaeus vannamei) por tratamiento químico para la eliminación de proteínas y minerales presentes en los mismos; una vez obtenida se caracteriza por medio de Espectroscopia Infrarroja (IR), Difracción de Rayos X (DRX) y Análisis Térmico (TGA), así como su morfología por Microscopía Óptica (MO) y Electrónica de Barrido (MEB). Se plantea su incorporación como material de refuerzo para la fabricación de un material compuesto considerado un biopolímero dada la naturaleza de sus componentes. PALABRAS CLAVE Quitina, camarones, exoesqueletos, morfología, caracterización. ABSTRACT This study presents the extraction of chitin from white shrimp exoskeletons (Litopenaeus vannamei) by chemical treatment, for remove proteins and minerals in them. Once obtained is characterized by infrared spectroscopy (IR), X-Ray Diffraction (DRX), and thermal analysis (TGA) and its morphology by light microscopy and scanning electron microscopy (SEM). Its incorporation as a filler for the manufacture of a composite is proposed. KEYWORDS Chitin, shrimp, exoskeletons, morphology, characterization INTRODUCCIÓN La quitina es un polisacárido natural de gran importancia, se identificó por primera vez en 1884, es el segundo polímero natural más abundante solo después de la celulosa. En la actualidad la principal fuente de obtención de esta sustancia son los crustáceos (cangrejo, camarón, langosta, etc.), dependiendo de su origen la quitina puede encontrarse en dos polimorfismos, llamados α y β que pueden ser diferenciados por infrarrojo, y en estado sólido por espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) o Difracción de Rayos X (DRX). Una tercera forma la quitina  también ha sido encontrada. Pero análisis detallados muestran que es solo una variación de la quitina-α de acuerdo con Rinaudo y Majeti.1,2 El nombre Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 39 �Síntesis y caracterización de quitina a partir de exoesqueletos de camarón para su uso... / Yaret G. Torres Hernández, et al. Fig. 1. Molécula de quitina.6 sistemático de la quitina es β(1-4)-2-acetamido2-desoxi-D-glucosa y su estructura química es la siguiente (ver figura 1): Se le han encontrado numerosas aplicaciones en diferentes campos como: agricultura, cosmetología, y la industria alimenticia; la actividad industrial de procesado de los productos de la pesca, especialmente de crustáceos genera una gran cantidad de residuos que suponen un grave problema medioambiental. Los residuos del procesado del marisco contienen en general un 14-35% de quitina asociada con proteínas de acuerdo con estudios publicados;3,4 y dado su gran volumen, unido a su lenta capacidad de degradación, estimula la investigación de los posibles usos de esta sustancia. EXTRACCIÓN DE LA QUITINA Se recolecta una cantidad considerable (aprox. 4 kg) de desechos de camarón blanco (Litopenaeus vannamei) para ser tratados de la siguiente manera: Fig. 2. Exoesqueletos de camarón lavados y secados. 40 Fig. 3. Polvo de camarón y medio de molienda. se separan los caparazones (exoesqueleto sin cabeza y sin patas, como se muestra en la figura 2), se lavan con agua corriente para posteriormente ser secados en una estufa modelo HDP-334, a 80 °C durante 3 hrs., para después someterlos a un proceso de molienda en un mortero de alta alúmina buscando obtener un polvo fino (ver figura 3). Para controlar el tamaño de partícula se utiliza un tamiz, en este caso con un tamaño de malla número 32. Desmineralización Una vez obtenido el polvo se coloca en un vaso de precipitado conteniendo una solución de HCl 0.6N en una relación 1:11 sólido-líquido, a una temperatura de 30 °C durante 3 horas. El producto obtenido se filtra y se realizan lavados con agua destilada hasta alcanzar la neutralidad del medio (ver figura 4). Fig. 4. Tratamiento químico de los polvos de camarón. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Síntesis y caracterización de quitina a partir de exoesqueletos de camarón para su uso... / Yaret G. Torres Hernández, et al. Desproteinización El producto obtenido se pone en una solución de NaOH al 1 % a una temperatura de 28 °C durante 24 horas, con agitación constante para asegurar una completa desproteinización. El producto se purifica filtrando y realizando lavados con agua destilada hasta lograr la eliminación del exceso de base; finalmente se seca en la estufa a 80°C durante 3 horas. CARACTERIZACIÓN DE LA QUITINA Espectroscopia Infrarroja La quitina fue identificada mediante Espectroscopia Infrarroja mediante un Espectrofotómetro VARIAN 3600 FT- IR. La región analizada fue la de 4000400 cm-1; la metodología utilizada para obtener los espectros fue formar una pastilla mezclando la muestra con KBr en una relación en peso de 1:100 en una prensa manual. Difracción de Rayos X El análisis fue realizado en un Difractómetro automático Philips modelo X’Pert, los parámetros de análisis para la quitina fueron 2θ de 5 a 40°, pasos de 0.015° a temperatura ambiente (25ºC). Tabla I. Bandas de absorción de los grupos funcionales presentes en la quitina. Región (cm-1) Tensión 2,880 C-H 3,450 1,660-1,560 1,070-1,020 N-H C=O C-O Fig. 5. Espectro IR obtenido experimentalmente. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 Análisis Termogravimétrico (TGA) El Análisis Térmico se llevo a cabo en un equipo DSC/DTA SDT Q600 (TA Instruments), la metodología utilizada para realizar el análisis TGA se basó en la norma ASTM E- 1131-03, en modo dinámico. Se tomó una masa de 2.46700 ± 0,001 mg de muestra, se utilizó un intervalo de temperatura desde 30 hasta 600°C, con una velocidad de calentamiento de 5 grados/min y un flujo de nitrógeno de 20 ml/min. Microscopía Electrónica de Barrido El análisis cuantitativo de elementos tanto en el exoesqueleto de camarón como en la quitina se realizó en un Microscopio Electrónico de Barrido XL30 ESEM Phillips en alto vacío. Microscopía Óptica Las diferentes muestras fueron observadas en un Estéreo Microscopio marca Nikon, equipado con cámara digital marca Pixelink, modelo PLS621CU, para la obtención de información acerca de la morfología de las escamas de quitina. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Espectroscopia infrarroja El espectro obtenido (ver figura 5) nos confirma que el compuesto obtenido es quitina, al identificarse vibraciones de estiramiento correspondientes al grupo N-H que presentan frecuencias moderadamente intensas en la región 3450 y 3250 cm-1. Los grupos funcionales de amida y carbonilo se observan en dos bandas intensas en la región de 1660-1560 cm-1, además el espectro presenta un pequeño pico en el intervalo de 2885 cm-1 que corresponde a las vibraciones de tensión del enlace C-H, que generalmente indica la presencia de uno o más grupos alcanos, y por último se observan vibraciones de tensión del grupo C-O-C entre 1070 y 1020 cm-1. En la tabla I se reportan los resultados, mismos que coinciden con los reportados en la literatura.3,4 Difracción de rayos X El difractograma de la quitina extraída experimentalmente de los exoesqueletos de camarón 41 �Síntesis y caracterización de quitina a partir de exoesqueletos de camarón para su uso... / Yaret G. Torres Hernández, et al. Fig. 6. Difractograma de la quitina extraída del polvo de camarón. blanco (ver figura 6), muestra cinco reflexiones cristalinas a 10º, 15.6º, 21.1º, 23.7º, y 33º lo cual es consistente con los valores reportados por otros autores.4,5 Análisis termogravimétrico En el análisis realizado a la quitina, se pueden observar tres eventos térmicos como se ilustra en la figura 7, que se explican de la siguiente manera: el primero es la pérdida de humedad del material del 8% aproximadamente, entre Tambiente y 200°C; el segundo entre 200 y 389°C con una pérdida del 46 %, se relaciona con la despolimerización del material, descomponiéndose en productos volátiles de bajo peso molecular y carbono. Por último el tercer evento con un pérdida del 5 %, es la pirolisis por la descomposición de los grupos aminas entre 390 y 600°C y lo cual es consistente con la literatura.6,10 Fig. 7. Curva obtenida para el TGA de la quitina. 42 Fig. 8. Medición del tamaño de partícula. Microscopía óptica Para determinar el tamaño de partícula, se toma una muestra de diferentes tamaños y luego se sumaron los valores parciales como se observa en la figura 8 para obtener un promedio, las mediciones se realizaron mediante el programa Image Pro-Plus, versión 4.5, obteniéndose un valor promedio de 397.283m. Microscopía electrónica de barrido En la figura 9 se aprecia la superficie del exoesqueleto de camarón, el cuál contiene carbonatos de calcio y magnesio principalmente. Lo cual es confirmado con ayuda de un Análisis por Energía dispersiva de Rayos X, que muestra la presencia de elementos como el calcio, silicio, azufre, fosforo y magnesio (figura 10). Fig. 9. Superficie del exoesqueleto de camarón a 1000X. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Síntesis y caracterización de quitina a partir de exoesqueletos de camarón para su uso... / Yaret G. Torres Hernández, et al. Fig. 10. Resultados del EDS del exoesqueleto de camarón. Posteriormente se analizaron por Microscopía Electrónica de Barrido y EDS las partículas de quitina, las cuales presentan una superficie rugosa e irregular pero carente de porosidad como se observa en la figura 11. Fig. 11. Morfología que presentan las partículas de quitina. En la figura 12 se muestra el análisis realizado a la quitina, donde se observa que los elementos presentes en el exoesqueleto han sido eliminados tras el tratamiento químico realizado, lo que confirma la obtención de quitina. Actualmente se trabaja en el estudio de la quitina como material de refuerzo en una matriz biopolimérica, y se ha observado que incrementa las propiedades mecánicas de la misma, lo que resulta en un doble beneficio, por un lado la eliminación del problema medioambiental y por otro su aprovechamiento como material de refuerzo en la fabricación de un material compuesto. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 Fig. 12. Resultados del EDS de la muestra de quitina. CONCLUSIONES La extracción de quitina a partir de desechos de camarón por el tratamiento químico realizado fue exitosa, lo que se comprueba con los diferentes análisis realizados. La forma y tamaño de partícula de la quitina obtenida nos permite su incorporación en una matriz biopolimérica, comportándose como un material reforzante. El material compuesto fabricado tendrá diversas aplicaciones potenciales como puede ser en el sector automotriz e incluso en el sector médico. AGRADECIMIENTOS Se agradece al Área de Ciencia de Materiales y de Química de la UAM-Azcapotzalco por el apoyo para la realización del desarrollo experimental de este trabajo y por brindar las facilidades para la utilización de sus equipos. Así mismo al Dr. Eduardo Terres del IMP por su tiempo y apoyo para realizar la Microscopia de Barrido. REFERENCIAS 1. Rinaudo, M., Chitin and chitosan: Properties and application, Progress in Polymer Science, 2006. vol.31, pp. 603-632 2. Majeti N.V., Ravi Kumar, A review of chitin and chitosan applications, Reactive & Functional Polymers, 2000,vol. 46, pp. 1–27. 3. Belandria J.C, Morillo N.J., Recuperación de quitina a partir de los residuos sólidos generados 43 �Síntesis y caracterización de quitina a partir de exoesqueletos de camarón para su uso... / Yaret G. Torres Hernández, et al. 4. 5. 6. 7. 44 del procesamiento industrial de crustáceos, Revista Cubana de Química, 2008, vol. XX. Morales R., Azamar, J. A., Obtención de quitosán a partir de quitina extraída de desechos de camarón (exoesqueleto) y su aplicación como biopelículas de recubrimiento, Memorias del XVI Verano de la investigación científica de la UJAT, ISBN 968-9024-10-8, 2006, pp.91-96. Entsar S. A., Khaled S.A., Maher Z., Extraction and characterization of chitin and chitosan from local source, Bioresource Technology, 2008, vol. 99, pp.1359-1367. Rosas,P.A.,<http://www.monografias.com/ trabajos75/estudio-adsorcion-cr-carbon-cubiertoquitosan/estudio-adsorcion-cr-carbon-cubiertoquitosan2.shtm>. S. Entsar, S. A. Khaled, M. Z. Elsabee, Extraction and characterization of chitin and chitosan from local sources, Bioresource Technology, 2008, vol. 99, pp. 1359-1367. 8. F. A. Al Sagheer, S. Muslim, M. Z. Elsabee, Extraction and characterization from marine sources in Arabian Gulf, Carbohydrate Polymers, 2009, vol. 77, pp. 410-419. 9. R. Morales Gómez, J. A., Azamar Barrios, Obtención de quitosán a partir de quitina extraída de desechos de camarón (exoesqueleto) y su aplicación como biopelículas de recubrimiento, Memorias del XVI Verano de la investigación científica de la UJAT, ISBN 968-9024-10-8, 2006, pp. 91-96. 10.J. C. Belandria, N. J. Morillo, Recuperación de quitina a partir de los residuos sólidos generados del procesamiento industrial de crustáceos, Revista Cubana de Química, 2008. vol. XX, No.3, pp. 17-25. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Eventos y reconocimientos OBITUARIO El pasado 4 de noviembre, falleció el Ing. Nicolás Treviño Navarro, quien fuera director de la FIME de 1962 a 1967, siendo el primer egresado de la propia facultad. Durante su gestión se fundó la Escuela de Graduados de la FIME. También fue rector iterino de la universidad del 23 de febrero al 1 de diciembre de 1967, tiempo en el que se creó la Preparatoria 8, las plazas de nuevo ingreso a preparatorias, escuelas y facultades de la Universidad. Fue también Secretario Ejecutivo del Patronato de laboratorios y talleres de la Universidad, Secretario Particular de la Presidencia Municipal de la Ciudad de Monterrey, y en su calidad de exrector, participó en la Comisión de Estudio de la Ley Orgánica de la UANL en 1971. Fue miembro de la junta de gobierno desde este año hasta 1980. El Ing. Treviño Navarro nació en Vanegas, San Luis Potosí, el 5 de diciembre de 1932. Inició sus estudios profesionales en la Escuela de Matemáticas de la UNL, pero decidió continuar la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista en la FIME, en la que obtuvo el Premio al Saber. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 PRESENTACIÓN DE LA REFORMA ENERGÉTICA El pasado 6 de octubre acudió a la FIME, el Lic. David Penchyna Grub, Presidente de la Comisión de Energía del Senado de la República, para presentar a la comunidad universitaria el alcance y desafíos de la Reforma Energética en la sociedad, y en especial el papel de la universidad. En esta reunión estuvieron presentes el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL, M.E.C. Rogelio Garza Rivera, Secretario General de la UANL; Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de FIME; y la Senadora, Lic. Ivonne Álvarez García. El rector manifestó que la universidad está a la altura del reto, a través de la descripción de la capacidad académica de la UANL. Dr Jaime A. Castillo Elizondo, Director de la FIME (izq.); Lic. David Penchyna Grub, Presidente de la Comisión de Energía del Senado de la República; Lic. Ivonne Álvarez García, Senadora; Dr. Jesús Ancer Rodrìguez, Rector de la UANL; M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL; y el Dr. Juan Manuel Alcocer González, Secretario Académico de la UANL. 45 �Eventos y reconocimientos 67 ANIVERSARIO DE LA FIME En la semana del 18 al 26 de octubre, la FIME efectuó una serie de actividades con motivo de su 67 Aniversario. La celebración inició con el ya tradicional “Desayuno de la Fraternidad”, en el que además de los discursos en que se suele hacer remembranza de la vida de la FIME, en esta ocasión se distinguió especialmente a la Srita. María de Jesús González Rivera, por sus 50 de años de actividad como secretaria en la facultad, más de 20 en la dirección de la FIME. El Ing. José Hernández Moreno, durante una conferencia previa a su presentación, con el Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de la FIME. La Srita. María de Jesús González Rivera con los exdirectores de la FIME; M.C: José Antonio González Treviño, M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, M.C. Esteban Báez Villarreal, y con el director de la FIME, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo. Entre las conferencias y eventos del XXI Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología, celebrado en la semana de aniversario, tuvo lugar la conferencia del Ing. José Hernández Moreno con el titulo “Cosechando estrellas: la historia de un astronauta mexicano”. El Ing. Hernández fue uno de los astronautas que participó como especialista en la misión STS-128, del transbordador espacial “Discovery” en 2009. Durante su presentación manifestó su origen mexicano y escribió su experiencia personal para llegar a ser astronauta. Concluyó su presentación con una invitación a la perseverancia y su deseo de continuar una relación con la UANL, en particular con la FIME. Otra de las actividades realizadas fue el foro “El impacto de la reforma energética en el sector industrial”, en donde participaron el Dr. Jaime Parada Ávila, Director General del Instituto de Innovación y Transferencia de Tecnología de 46 NL; Dr. Salvador Valtierra Gallardo, Director de Innovación Nemak; Dr. Salvador Aceves, Líder de proyectos del Departamento de Energía de los Estados Unidos, Lawrence Livermore Nationals Laboratories; Ing. Oscar Sansores Castro, Gerente de Desarrollo de Negocios Voltrak; Ing. Luis Antonio Ordaz Ledezma, Subgerente Comercial de la División Golfo-Norte de la CFE; y el Lic. Ernesto Marcos Iga, Director de Servicios Legales de Whirlpool. Panelistas del foro “El impacto de la reforma energética en el sector industrial”. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �Eventos y reconocimientos COLOQUIO DE MATEMÁTICAS Se llevó a cabo en la FIME, del 9 al 11 de diciembre, el “Primer Coloquio de Matemáticas para la Formación de Ingenieros del Siglo XXI”. en el que se presentaron experiencias de colaboración entre México y Francia, con la finalidad de redefinir las competencias matemáticas que un ingeniero debe adquirir durante su formación universitaria, tomando en cuenta contenidos académicos y métodos pedagógicos para la enseñanza de las matemáticas dentro de las escuelas de ingeniería de México y Francia. Entre los participantes se encontraban representantes de Canadá y de otras universidades de México. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 Catherine Pilon de la Universidad de Sherbrooke. 47 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL * Enero - Diciembre 2014 Herman Castañeda Cuevas, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Control robusto por modos deslizantes de orden superior aplicado a vehículos aéreos no tripulados”, 17 de enero. Jurado: Dr. Jesús de León Morales (asesor), Dr. Alberto Cavazos González, Dr. Marco Tulio Mata Jiménez, Dr. Ernesto Olguín Díaz, Dr. Vicente Parra Vega. Luis Humberto Rodríguez Alfaro, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Control activo tolerante a fallas para sistemas Hamiltonianos convergentes”, 17 de enero. Jurado: Dr. Efraín Alcorta García (asesor), Dr. Cornelio Posadas Castillo, Dr. Juan Ángel Rodríguez Alfaro, Dr. Gerardo René Espinosa Pérez, Dr. David Lara Alabazares. Francisco Aurelio Pérez González, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Oxidación a alta temperatura y bajo diferentes ambientes de una superaleación base níquel”, 28 de enero. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz (asesor), Dr. Nelson Garza Montes de Oca, Dr. Octavio Covarrubias Alvarado, Dr. Juan Genesca Llogueras, Dr. Demófilo Maldonado Cortes. César Martínez Torres, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Fault Tolerant Control By Flatness Aproach”, 25 de marzo. Jurado: Dr. Hebertt Sira Ramírez, Dr. Efraín Alcorta García (asesor FIMEUANL), Dr. Didier Theilliol, Dr. Franck Cazaurang (asesor Universidad de Burdeos, Francia), Dr. Loïc Lavigne. Miguel Fernando Delgado Pámanes, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Soldabilidad de aceros IF y HSLA galvanizados para aplicaciones * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. 48 automotrices”, 29 de mayo. Jurado: Dra. Martha Patricia Guerrero Mata (asesora), Dr. Luis Adolfo Leduc Lezama, Dr. Rafael Colás Ortiz, Dr. Sergio Haro Rodríguez, Dr. Omar García Rincón. José Eulalio Contreras de León, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Influencia de la inserción de nano-óxidos cerámicos sobre la microestructura y propiedades de una porcelana triaxial”, 2 de junio. Jurado: Dr. Edén Amaral Rodríguez Castellanos (asesor), Dr. Josué Amílcar Aguilar Martínez, Dra. Ana María Arato Tovar, Dr. Juan Jacobo Ruiz Valdés, Dr. Eduardo Cárdenas Alemán. Adriana Magdalena Huízar Félix, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de las propiedades magnéticas y microestructura de nanocompósitos de nanopartículas metálicas y óxido de grafeno reducido térmicamente”, 5 de junio. Jurado: Dra. Selene Sepúlveda Guzmán (asesora), Dr. Domingo I. García Gutiérrez, Dr. Marco Antonio Garza Navarro, Dr. Juan Francisco Luna Martínez, Dra. Sagrario Martínez Montemayor. Guillermo González Ibarra, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de la maquinabilidad de 2 superaleaciones Inconel 617 y 718”, 6 de junio. Jurado: Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo (asesora), Dra. Guadalupe M. Hernández Muñoz, Dra. Maribel de la Garza Garza, Dr. Sergio Haro Rodríguez, Dra. Ireri A. Sustaita Torres. Jesús Alejandro Sandoval Robles, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de la evaluación de la textura de aceros eléctricos grado experimental”, 27 de junio. Jurado: Dra. Martha Patricia Guerrero Mata (asesora), Dra. Adriana Salas Zamarripa, Dr. Luis Adolfo Leduc Lezama, Dr. Yvan Houbaert, Dr. Omar García Rincón. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �Eventos y reconocimientos Lina Melva de León Covián, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Síntesis y Caracterización de Nano partículas semiconductoras de PbSe y PbSexSi1-x y su aplicación en dispositivos fotovoltaicos”, 3 de septiembre. Jurado: Dr. Domingo Ixcóatl García Gutiérrez (asesor), Dr. Marco Antonio Garza Navarro, Dr. Sadasivan Shaji, Dr. Francisco Servando Aguirre Tostado, Dr. Eduardo Martínez Guerra. Oliver Avalos Rosales, “Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas, Tesis: “Secuenciación en máquinas paralelas no relacionadas con tiempos de preparación y tareas de mantenimiento”, 12 de septiembre. Jurado: Dra. Ada M. Álvarez Socarrás (asesora), Dra. Iris Abril Martínez Salazar, Dra. Yasmín A. Ríos Solís, Dr. Francisco Ángel-Bello Acosta, Dr. Carlos Andrés Romano. Yaneth Bedolla Gil, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de las propiedades mecánicas tribológicas y electroquímicas de aleaciones Co, Cr, Mo, C con adiciones en Boro”, 12 de septiembre. Jurado: Dr. Marco Antonio Ludovic Hernández Rodríguez (asesor), Dr. Arturo Juárez Hernández, Dr. Rafael Mercado Solís, Dr. Felipe Arturo Reyes, Dr. Manuel de Jesús Castro Román. Rodolfo Morales Ibarra, “Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Carbon fiber recovery using subcritical and supercritical fluids for chemical recycling of thermoset composite materials”, 9 de octubre. Jurado: Dr. Antonio Francisco García Loera (asesor), Dr. Juan A. Aguilar Garib, Dr. Edgar Reyes Melo, Dr. Motonobu Goto, Dr. Mitsuru Sasaki. Julián Rodríguez Hernández, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Desgaste erosivo en cajas de corazones usadas en la industria automotriz”, 27 de octubre. Jurado: Dr. Alberto Javier Pérez Unzueta (asesor), Dr. Rafael Colás Ortiz, Dra. Dora Irma Martínez Delgado, Dr. Salvador Valtierra Gallardo, Dr. Andrés Rodríguez Jasso. Oscar Arreola Soria, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: ”Coordinación de relevadores de sobrecorriente con curvas de tiempo no convencionales en sistemas eléctricos Industriales”, 7 de noviembre. Jurado: Dr. Arturo Conde Enríquez (asesor), Dr. Luis Alonso Trujillo Guajardo, Dr. Francisco Sellschopp Sánchez, Dr. Víctor Manuel Cabrera Morelos, Dr. Gerardo Maximiliano Méndez. El Cuerpo Académico Consolidado “Síntesis y Caracterización de Nanoestructuras” extiende una invitación para particpar en su Segundo Simposio a celebrarse en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica el 30 de abril de 2015 Informes: Dr. Domingo García Gutiérrez (domingo.garciagt@uanl.edu.mx) Dra. Selene Sepúlveda Gúzman (selene.sepulvedagz@uanl.edu.mx) Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 49 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Octubre - Diciembre 2014 Diego Armando González Medina, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Modificación superficial de aleaciones de aluminio mediante impacto cíclico para la modificación de las propiedades mecánicas y tribológicas”, 2 de octubre. Mayra Iveth Llamas Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Comportamiento elástico y morfológico de composites propileno / grafeno”, 3 de octubre. Juan Jesús Salguero Trujillo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 3 de octubre. Minerva Mayela Orta Lozano, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 6 de octubre. Rubén Anrelyd Fernández-Ahuja Ríos, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 6 de octubre. Alejandro Darwich Garza, Maestría enAdministración Industrial y de Negocios con Orientación en Finanzas, (Por materias), 9 de octubre. Juan Eduardo Pantoja Herrera, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con Orientación en Vidrio. Tesis: “Caracterización del lubricante utilizado en el proceso de prensado de vidrio calizo provisto en moldes mediante el método de carbón shot”, 10 de octubre. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. 50 Daniel Valdez Muñoz, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con Orientación en Vidrio. Tesis: “Transferencia de calor en moldes para productos de vidrio”, 10 de octubre. Luis Antonio Mercado Cerda, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Orientación en Control Automático. Tesis: “Control of a tibio-femoral virtual joint by means of hybrid EEG-EMG Scheme”, 10 de octubre. Luis Ángel Villaseñor Benítez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 13 de octubre. Víctor Hu go Garz a Reyes , M aes trí a en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 16 de octubre. Eduardo Alberto Cobos Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 20 de octubre. Diego Jesús Robledo Sepúlveda, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 20 de octubre. Josué Zavala Vázquez, Maestría en Ingeniería con Orientación en Eléctrica, (Por materias), 23 de octubre. José Ángel Elizondo Alanís, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con Orientación en Vidrio. Tesis: “Estudio de las propiedades mecánicas de vidrios sodo-cálcicos en función de variaciones en su microestructura”, 24 de octubre. Francisco Gustavo Serna Colunga, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con Orientación Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL en Vidrio. Tesis: “Análisis de la transferencia de calor en hornos regenerativos para vidrios sódico cálcicos”, 24 de octubre. Gerardo Javier Frutos González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 24 de octubre. María de Jesús Trejo Coello, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 28 de octubre. Yaaresi Arlen Valero Torres, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 30 de octubre. Juan Manuel Salas Trejo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 30 de octubre. Mario Alberto Acosta Rivera Hernández, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: La tercerización del transporte terrestre en una empresa de servicio”, 7 de noviembre. Manuel René Treviño Aranda, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación Logística Global, (Por materias), 7 de noviembre. Juan Enrique Quintanilla González, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: “Cinematografía esbelta: optimando el proceso de hacer cine”, 10 de noviembre. Raymundo Chávez Hernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “ Modelado en frío”, 14 de noviembre. José Lagunes Beyrut, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Propuesta de programa de mejora de servicios y administración para aumentar utilidades,” 18 de noviembre. Joel González Ibarra, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y operaciones. Proyecto: “Control de I n ve ntar i o s y red ucc ión de c os tos de almacenamiento por mal manejo de materiales”, 20 de noviembre. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 Mario Francisco González Sánchez, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con Orientación en Dinámica de Vuelo. Proyecto: “Modelado, Análisis y Control de cuadrirrotores: un enfoque de control clásico”, 20 de noviembre. Álvaro Tamez Cortes, Maestría en Ingeniería Eléctrica, (Por materias), 21 de noviembre. Luis Armando Lince Quintanilla, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “Medición Nivel de Servir a través de la orden perfecta”, 21 de noviembre. Elsa Reneé Guerrero Silva, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Nanoidentación y caracterización microestructural de una aleación de aluminio 2024 procesada por unión por laminación acumulada”, 21 de noviembre. Tomás Gerardo Cavazos Solís, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con Orientación en Vidrio. Tesis: “Aumento de la vida útil de la moldura para vidrio”, 21 de noviembre. David Elizondo Lozano, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Aspectos físicos y factores que determinan la calidad superficial con maquinado de compositós de matriz polimérica reforzados con fibras”, 24 de noviembre. Marco Antonio Delgado López, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: “Efecto del tratamiento térmico en la difracción de rayos x en las aleaciones vaciadas de aluminio utilizadas en la industria automotriz”, 24 de noviembre. Mauricio González Villarreal, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Optimización de las propiedades mecánicas de compósitos de resina poliéster reforzadas con fibra de vidrio y cargas de carbonato de calcio”, 26 de noviembre. Gonzalo Viezca Rodríguez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y operaciones, (Por materias), 26 de noviembre. René Rhi Sepúlveda, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 27 de noviembre. 51 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Saraí Villalpando Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Efecto de la temperatura y tiempo en la disolución de las fases y carburos en dos aleaciones WASPALOY”, 27 de noviembre. Ciro Manuel García Hernández, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “La participación del departamento de embarques en la creación de un producto con valor para el cliente”, 1 de diciembre. Irma Verónica Carreón Cavazos, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Finanzas, (Por materias), 1 de diciembre. Luis Ángel Barboza González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Efectos de la precipitación en anillos rolados de Incoloy 909 durante el proceso de forja”, 1 de diciembre. Laura Nelly de León Nava, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 2 de diciembre. Oscar Abraham Torres San Miguel, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Detectores de acabado de línea para alambre magneto”, 5 de diciembre. Miguel Ángel Lambert Borrell, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Fabricación de cables irradiados para la industria aeroespacial”, 5 de diciembre. José Carlos de la Rosa Salazar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Seguridad Integral”, 5 de diciembre. Raymundo Humberto Avendaño Villarreal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad (Por materias), 8 de diciembre. Santos Alonso Rodríguez Saucedo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto:“Diseño de un sistema de control de inventarios de materia prima para un nivel de servicio determinado”, 8 de diciembre. 52 Adrián Amaya Valtierra, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura, (Por materias), 9 de diciembre. R o g e l i o M a l t os M a rt í n e z , M a e s t r í a e n Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto:“Desarrollo de Prototipo de Cable Media Tensión para certificación con norma internacional IEC60502-2”, 9 de diciembre. Alan Azael Cortez Martínez, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Producción de conductores eléctricos recubiertos con fibra de vidrio utilizando hornos de inducción”, 9 de diciembre. Ramiro Juan Manuel Carreón Navarrete, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “UBICEL, la tecnología al alcance de todos”, 9 de diciembre. Miguel Francisco Arratia Obregón, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Mejora en línea de pintura planta Brembo México”, 9 de diciembre. José Guadalupe Oyervides Cavazos, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Metodología de Fabricación de Cable XHHWLS en línea convencional de extrusión”, 9 de diciembre. Adrián Mauricio García Corral, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Diseño de un controlador para un robot de un proceso de soldadura eléctrica”, 9 de diciembre. Iván Gonzalo Reyes Valente, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Polietileno de alta densidad en la industria manufacturera”, 10 de diciembre. Francisco Javier Salinas Rodríguez, Maestría en Ingeniería de la Información con Orientación en Informática, (Por materias), 10 de diciembre. Yuliana Tristán Zamarripa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 10 de diciembre. Verónica Magdalena Reyes Carranza, Maestría en Ingeniería de la Información con Orientación en Informática, (Por materias), 10 de diciembre. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL José Luis López Sánchez, Maestría en Ingeniería de la Información con Orientación en Informática, (Por materias), 10 de diciembre. Selene Josefina Esquivel Cantú, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “Análisis de Abastecimiento considerando impacto financiero y riesgo en el suministro. Caso: Tecnológico de Monterrey”, 10 de diciembre. Francisco Javier Vázquez Treviño, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura, (Por materias), 11 de diciembre. Luis Alberto Zataráin Morúa, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Potencia. Tesis: “Estudios de flujos difusos en sistemas eléctricos de potencia”, 12 de diciembre. Juan Carlos Ramírez Saucedo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Potencia, Tesis: “Análisis de modos de oscilación y amortiguameniento en sistemas Eléctricos”, 12 de diciembre. Roberto Daniel Penilla Segura, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 Dirección y Operaciones. Proyecto: “Desarrollo de un plan de distribución como estrategia competitiva en una empresa automotriz”, 12 de diciembre. Patricia Vargas Martínez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “Incremento en el porcentaje de entregas a tiempo a través de la mejora del nivel de inventario”, 12 de diciembre. Fernando Flores Mata, Maestría en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura con Especialidad en Diseño de Productos. Tesis: “Optimización del sistema configurador de producto para la industria de la manufactura de ventanas, puertas y cancelería”, 17 de diciembre. Giovanna Yarelly Pompa Maciel, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con Orientación en Materiales. Tesis: “Caracterización electroquímica de aluminio anodizado para la i ndu stria aeronáutica”, 17 de diciembre. Yonathan Armando Loredo Sáenz, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con Orientación en Energías Térmica y Renovable, Tesis: “Caracterización termo hidráulica del área de transferencia de calor en superficies extendidas mediante simulación numérica”, 18 de diciembre. 53 �Acuse de recibo Revista del Tecnológico de Monterrey Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics Esta revista del Tecnológico de Monterrey es publicada por Grupo Medios S.A. de C.V. podría considerarse como una publicación de carácter interno que informa sobre el quehacer de la institución, se aprecia desde el mensaje editorial, pero cuyo contenido es interesante para público relacionado con el ambiente de educación y formación profesional. El número de diciembre resulta atractivo por su interés hacia los egresados, se presenta el tema de la supervivencia laboral y la vocación con material que invita a reflexionar sobre las llamadas competencias y en un punto no muy alejado, sobre el futuro de las generaciones, con algunos ejemplos. Hay más información en la página del Tecnológico de Monterrey (www.itesm.mx) en la sección de Revistas del Tecnológico de Monterrey y se puede solicitar por suscripción a revistatec@ itesm.mx . La revista Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, es una publicación quincenal, en idioma inglés de Wiley Periodicals (ISSN 08876266), que divulga los aspectos más relevantes en la física de polímeros y temas relacionados, está dirigida principalmente a la comunidad científica. En el número 1, volumen 52 de enero 2014, destaca entre los artículos de revisión, uno que trata a los electrolitos de copolímero en bloque como materiales candidatos para su aplicación en baterías de litio recargables. La revusta tembién ofrece artículos en extenso, tal es el caso de “Efecto de la longitud y diámetro de nanotubos de carbono de pared múltiple en las propiedades mecánicas y eléctricas de compósitos de policarbonato”. Para mayor información acerca de esta publicación puede consultar la página web: www.polymerphysics.org JAAG 54 JGPC Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Ingeniero Mecánico y Maestro en Metalurgia por el Instituto Tecnológico de Saltillo. Doctorado en Ingeniería de Materiales por la UANL (1991). Premio de Investigación UANL en 1991, 2001, 2003 y 2012. Premio TECNOS en el 2000. Es Profesor Investigador de la FIME-UANL, miembro del SNI nivel I y de la Academia Mexicana de Ciencias. Alonso Gutiérrez, Brenda Janett Es Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones egresado en 2002. Maestría en Administración egresado en 2006 Altamirano Torres, Alejandro Ingeniero Metalurgista y Maestro en Ciencias e Ingeniería por la Universidad Autónoma Metropolitana – Azcapotzalco. Profesor – Investigador del Área de Ciencia de Materiales, UAM – Azc. Coordinador de laboratorios de docencia del Departamento de Materiales, así como Jefe del Área de Ciencia de Materiales en la misma universidad. Cabrera Gómez, Jesús Ingeniero Mecánico, Máster en Ingeniería de Mantenimiento, Doctor en Ciencias Técnicas. Es profesor de cursos relacionados con la ingeniería de las vibraciones, el diagnóstico de máquinas y la confiabilidad operacional. Es Presidente del Comité Académico de la Maestría en Ingeniería y Gerencia de Mantenimiento. Díaz Concepción, Armando Graduado de Ingeniero Mecánico en 1986, Profesor auxiliar. Con más de 22 años de experiencia profesional, se ha desempeñado como Jefe de Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 Mantenimiento en diferentes empresas y atendiendo varias ramas de la ingeniería. Acreedor de diferentes premios nacionales, como el de la Academia de Ciencias de Cuba, e internacionales, autor de una amplia gama de artículos en libros y revistas. Recibió su título de Máster en Ciencias en el año 2008. González Dueñez, Valeria Paola Profesor de tiempo completo en la UANL para licenciatura y posgrado. Es miembro del SNI. Pertenece al Cuerpo Académico Vinculación con el Sector Económico, Comercio Exterior, Mercadotecnia y Sustentabilidad. Actualmente es Jefe de Carrera de Ingeniero en Tecnología de Software. Huerta Leija, Ever Benjamín Recibió el grado de Ingeniero Mecánico Electricista por la Universidad Autónoma de Nuevo León en 2011. Actualmente es pasante de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Desde 2014 es Coordinador de Instalaciones Electromecánicas en la empresa Escala APP. Sus áreas de investigación son la protección de sistemas eléctricos de potencia. Idárraga Ospina, Gina María Recibió el grado de Ingeniero Eléctrico por la Universidad Nacional de Colombia, Medellín, Colombia en 2002 y el grado de Doctor por la Universidad Nacional de San Juan, Argentina en 2007. Desde 2008 es profesora investigadora de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Sus áreas de interés son el modelado y simulación de elementos del sistema eléctrico de potencia, análisis de transitorios electromagnéticos, procesamiento digital de señales usando transformada Wavelet. 55 �Colaboradores Madrigal Espinoza, Sergio David Ingeniero Industrial con especialidad en Calidad y Productividad, por el Instituto Tecnológico de Culiacán, Maestro y Doctor en Ciencias con Especialidad en Ingeniería de Sistemas, por la División de Estudios de Posgrado de la FIME, UANL. Es Profesor de tiempo completo en esta institución desde 2011. estudios de Doctorado en Metalurgia y Materiales en el Instituto Politécnico Nacional-ESIQIE. López Meléndez, Arnulfo Ingeniero Mecánico Electricista egresado en 2014. Actualmente cursando la Maestría en Ciencias con orientación en Nanotecnología en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Vázquez Martínez, Ernesto Recibió los grados de Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones, Maestría en Ciencias y Doctor en Ingeniería Eléctrica por la Universidad Autónoma de Nuevo León en 1988, 1991 y 1994 respectivamente. Desde 1996 es profesor investigador de la Universidad Autónoma de Nuevo León. En 2000 y 2011 hizo estancias de investigación en la Universidad de Manitoba y la Universidad de Alberta respectivamente. Sus áreas de investigación son la protección de sistemas eléctricos de potencia y aplicación de técnicas de inteligencia artificial en sistemas de potencia. Es Nivel 1 del Sistema Nacional de Investigadores, y es miembro de la Academia de Ingeniería de México. Lázaro López, David Abraham Estudiante de la maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Nanotecnología. Rodríguez Liñan, Carolina Yazmin Ingeniero en Electrónica y Automatización egresada en el año 2013 de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Actualmente estudiante de la maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Nanotecnología. Romero García, Julio Abril Ingeniero Mecánico, trabaja en la Subdirección de Ingeniería de la Empresa Cubana de Aviación S.A, donde desarrolla trabajos de control, análisis, evaluación y pronóstico para elevar los niveles de confiabilidad de los componentes y sistemas asociados a la técnica de aviación. Colabora en temas de investigación con el Centro de Estudios en Ingeniería de Mantenimiento (CEIM). Torres Hernández, Yaret Gabriela Ingeniera Química y Maestra en Ciencias e Ingeniería de Materiales por la Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco. Actualmente cursa 56 Treviño Treviño, Francisco Edmundo Licenciado en Economía por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Maestro en Administración con especialidad en Finanzas por FACPYA UANL y Doctor en Filosofía con especialidad en Administración de la División de Estudios de Posgrado del CEDEEM Facpya, UANL. Profesor de tiempo completo exclusivo en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica desde 2010. Viego Ariet, Néstor Asesor Técnico de Aviación, Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, trabaja en la Empresa Cubana de Aviación S.A, en el Grupo de Confiabilidad y Diagnóstico, donde desarrolla trabajos de control, análisis, evaluación y pronóstico para elevar los niveles de confiabilidad de los componentes y sistemas asociados a la técnica de aviación. Colabora en temas de investigación con el Centro de Estudios en Ingeniería de Mantenimiento (CEIM). Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 57 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Revisores Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. 58 Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. 59 �60 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2015 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 18 Número Número de la revista 66 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2015, Año 18, No 66, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2015 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020829 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Confiabilidad operacional Equivalente Thevenin Industria Aeronáutica Línea de transmisión Nanotecnología Richard Feynman https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20788/Ingenierias_2014_Ano_17_No_65_Octubre-Diciembre.pdf 0a143a33e3ae6902b8bd47f3b345595c PDF Text Text ��65 Contenido Octubre-Diciembre de 2014, Año XVII, No. 65 2 3 6 15 27 38 52 64 67 70 71 73 74 Directorio Editorial 2014: Año Internacional de la cristalografía José Reyes Gasga Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos y métodos de programación entera Roger Z. Ríos Mercado, J. Fabián López Pérez Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power system applications G. S. Antonova y los miembros del IEEE PES PSRC Working Group Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era digital: Una aproximación coneccionista Guadalupe E. Morales Martínez, Ernesto O. López Ramírez, Claudia Jaquelina González Trujillo, María Isolde Hedlefs Aguilar Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible microbianas Nora A. García-Gómez, Domingo I. García-Gutiérrez, Salomé M. De la Parra-Arciniega y Eduardo M. Sánchez Cervantes Real time coordination of directional overcurrent relays by ACO Meng Yen Shih, Arturo Conde Enríquez Eventos y reconocimientos Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Acuse de recibo Colaboradores Información para colaboradores Código de ética Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 3 �DIRECTORIO Ingenierías, Año XVII, N° 65, octubrediciembre 2014. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de octubre de 2014. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2014 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Ing. Dagoberto Salas Zendejo Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / M.C. Gabriel Martínez Alonso, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 �Editorial: 2014: Año Internacional de la Cristalografía José Reyes Gasga Universidad Nacional Autónoma de México, Instituto de Física jreyes@fisica.unam.mx El 2014 es el Año Internacional de la Cristalografía, seguramente es importante, podríamos decir, como para que se le dedique un año de celebración, pero por si la relevancia de la celebración no fuera obvia, valdría la pena repasar algunos antecedentes que explican el entusiasmo de los investigadores en esta área. La cristalografía es la ciencia que estudia la geometría de los cristales y la relación que guardan sus partes con el resto del cristal. Los cristales se encuentran en todas partes, desde las piedras preciosas hasta la sal de cocina. Actualmente la cristalografía juega un papel importante en la física, la química, la biología, las matemáticas, la geología, la mineralogía, y la medicina. Por ejemplo, en física, la geometría que presenta un cristal está relacionada con sus propiedades. Los materiales están formados por átomos arreglados en forma geométrica y sus propiedades y respuestas al medio ambiente dependen del tipo o tipos de átomos que lo conforman y del arreglo que presentan. Las ecuaciones necesarias para representar matemáticamente las propiedades de los cristales tienen que ver con esos arreglos. Si la propiedad se presenta de forma similar en todas las direcciones, se dice que ésta es isotrópica y basta una sola ecuación para representarla, pero como ocurre con frecuencia, si la propiedad no presenta esta característica entonces el material es anisotrópico y se requieren más ecuaciones. Por lo tanto, las propiedades cristalográficas de los cristales indican el número de ecuaciones necesarias para describir sus propiedades. El descubrimiento del uso de los rayos x para el estudio del arreglo atómico de la materia significó el inicio de la cristalografía moderna. El origen de este estudio es uno de los eventos que propiciaron la designación del 2014 como el Año Internacional de la Cristalografía, lo que puede ser mejor entendido con un repaso breve de los eventos particulares que marcaron ese momento. En el siglo XIX el británico William Crookes estudió el efecto de la corriente eléctrica en ciertos gases usando un tubo de vacío en donde existían unos electrodos para aplicar la corriente. Estos tubos fueron conocidos como “tubos de Hittorff-Crookes”. El físico alemán Wilhem Conrad Rontgen descubrió los rayos x en 1895 cuando experimentaba con un tubo de Hittorff-Crookes e hizo incidir el haz de electrones sobre una placa de platino-cianuro de bario y observó un débil resplandor que desaparecía/aparecía cuando apagaba/encendía el tubo. Observó también que esta radiación velaba las placas fotográficas y atravesaba objetos sólidos, excepto el hueso humano. Es famosa la imagen de la mano de su esposa mostrando los huesos que la componen. Rontgen llamo a esta radiación como “radiación desconocida” o “radiación x”, lo que derivó en “rayos x”. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 5 �2014: Año Internacional de la Cristalografía / José Reyes Gasga. Actualmente sabemos que los rayos x son radiación electromagnética con longitudes de onda en el rango de los 10 a 0.01 nanómetros y con frecuencias entre 50 y 5000 veces la frecuencia de la luz. Los rayos x son la base de la radiografía, tan usada en la medicina moderna. Pero el que ahora conozcamos la naturaleza y características de los rayos x no fue una cosa sencilla ni se realizó de la noche a la mañana. Tuvieron que pasar muchos años antes de que esto sucediera. Cuando Rontgen dio a conocer el descubrimiento de los rayos x, los físicos, químicos, biólogos y médicos de inicio del siglo XX se interesaron en descubrir su naturaleza, propiedades y aplicaciones, se tuvo que trabajar un cuarto de siglo para conocer su naturaleza y propiedades y medio siglo para conocer sus aplicaciones. Para conocer su origen y naturaleza fue necesario que se desarrollara la física cuántica y el estudio atómico de los materiales; y fueron varios los premios nobel otorgados por los estudios realizados en el campo de los rayos x. Rontgen recibió el premio Nobel en 1901 por el descubrimiento de los rayos x. Durante los 1920s, los avances de la teoría cuántica sirvieron para caracterizar más precisamente la interacción de los rayos x con los átomos de los materiales. También se inició el uso de las series de Fourier para representar la distribución de electrones en las redes cristalinas. En 1935 el físico británico Arthur Patterson descubrió la forma de describir estructuras cristalinas a partir de datos experimentales. En 1957 Dorothy Hodgkin determinó la estructura de la vitamina B12, y los rayos x adquirieron gran relevancia en el campo de la química orgánica. En 1962 se otorgan los premios Nobel a Max Perutz y John Kendrew por los estudios de las proteínas y a Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins por el descubrimiento de la doble hélice del ADN. Entre 1960 y 1980 cobra gran relevancia el estudio de la biología molecular y la cristalografía de proteínas y moléculas. Sin embargo la lista anterior no está completa. 1914 marca el nacimiento de la cristalografía mediante rayos x gracias al descubrimiento de su difracción en sólidos cristalinos realizado por el físico alemán Max Von Laue en 1912 y su formulación matemática a través de la ley de Bragg realizada por los físicos británicos William Henry Bragg (padre) y William Laurence Bragg (hijo) en 1913. El trabajo de Von Laue, los Bragg y muchos más indicaron que el análisis cristalográfico de los cristales se facilita enormemente cuando se utilizan técnicas basadas en la difracción. Este fenómeno de la difracción lo podemos describir de forma simplificada como la desviación de un haz, ya sea de luz, de electrones o de rayos x, en la proximidad de un cuerpo sólido. De esta manera, si colocamos una pantalla o un detector, observaremos la interferencia de estos rayos en una dirección dada. Ésta es la base de la ley de Bragg. Para que se observe el fenómeno de la difracción en los cristales, la radiación debe tener longitudes de onda comparables con la distancia entre los átomos que conforman la materia, es decir de unas décimas de nanómetro. La longitud de onda de los rayos x es similar a las distancias interatómicas en sólidos. Por lo tanto, la difracción de rayos x es una de las herramientas más útiles en el campo de la cristalografía. 6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 �2014: Año Internacional de la Cristalografía / José Reyes Gasga. Max Von Laue recibió el premio Nobel de física en 1914 por el descubrimiento de la difracción de rayos x por cristales y en 1915 a William Henry Bragg y William Laurence Bragg por sus servicios en el análisis de estructuras cristalinas mediante rayos x, los cuales se usan actualmente en el estudio estructural de materiales en la física, química, biología, geología y medicina. Ésta es la razón por la que se considera que 2014 marca el centenario del nacimiento de la cristalografía por rayos x y enfatiza su importancia en el estudio de los materiales y su uso en la vida humana. Por lo tanto, la Asamblea General de las Naciones Unidas proclamó al 2014 como el “Año Internacional de la Cristalografía” en su asamblea del 4 de julio de 2012, y encargó a la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) liderar y coordinar en colaboración con la Unión Internacional de Cristalografía (IUCr) la implementación de actividades conmemorativas y de divulgación del año internacional de la cristalografía. La inauguración del año internacional de la cristalografía fue realizada el 20 de enero del 2014 en la sede de la UNESCO, ubicada en la Place de Fonteroy, Paris, Francia. En este evento se reunieron la directora general de la UNESCO, Irina Bokova, y el presidente de la IUCr, Gautam R. Desiraju. El secretario general de la Organización de las Naciones Unidas, Ban Kim-Moon, dirigió un mensaje por videoconferencia en esta ocasión. Varios países se han unido para festejar la conmemoración del Año Internacional de la Cristalografía. Por citar algunos ejemplos; Corea e Italia han emitido timbres, Australia emitió una serie de monedas, y Marruecos emitió una medalla conmemorativa. En México, los eventos conmemorativos del Año Internacional de la Cristalografía incluyen cursos, conferencias, talleres y exposiciones, que se han realizado principalmente en la Universidad de Sonora, organizadas por el Dr. Ricardo Rodríguez Mijangos. No cabe duda que la cristalografía de rayos x ha permitido un avance enorme en el estudio estructural de los materiales. Debido a su importancia, las sociedades de cristalografía de varios países, incluido México, decidieron conformar la IUCr. Al festejar el 2014 como el Año del Centenario de la Cristalografía se da un reconocimiento muy importante en el trabajo realizado en el campo de los rayos x y otros haces energéticos para el estudio cristalográfico de los materiales. Además del reconocimiento a quienes trabajan y continúan trabajando en esta ciencia, se le da difusión a través de sus aplicaciones que bien pueden ser de conocimiento general, pero cuyos creadores no gozan de reconocimiento social. Una celebración de esta naturaleza promueve tal reconocimiento, así como la inquietud de las nuevas generaciones para trabajar y convertirse en los pilares de los desarrollos científicos del futuro. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 7 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos y métodos de programación entera Roger Z. Ríos Mercado, J. Fabián López Pérez FIME – UANL, FACPYA - UANL roger@yalma.fime.uanl.mx RESUMEN En este trabajo se presenta un método de solución basado en técnicas de programación entera mixta y generación de cortes, para un problema de diseño de territorios comerciales. El problema de distribución abordado consiste en determinar una partición de un conjunto de unidades geográficas en grupos o territorios, sujeta a diversas restricciones, tales como balanceo territorial, compacidad, conectividad, asignación desunida y similaridad con planes existentes. Dada su complejidad, se propuso una técnica novedosa basada en ramificación-y-acotamiento así como generación de cortes para resolverlo. El método está mejorado por varias estrategias algorítmicas. La valoración empírica del procedimiento propuesto muestra un excelente desempeño al encontrar soluciones óptimas o casi óptimas a gran escala en condiciones reales durante pocos minutos de cómputo. PALABRAS CLAVE Investigación de operaciones, diseño de territorios, programación lineal entera mixta, desigualdades válidas, ramificación y acotamiento. ABSTRACT In this work, a solution method based on mixed-integer programming and cut generation for a commercial territory design problem is presented. The districting problem consists of determining a partition of a set of geographic units into clusters or territories, subject to planning requirements such as multiple territory balancing, compactness, connectivity, disjoint assignment, and similarity with existing plan. A mixed-integer linear programming model is introduced for this problem. The problem is NP-hard, that is, very hard to solve. Given its complexity, a novel technique based on branch-and-bound and cut generation is proposed for solving the problem. The method is enhanced by several algorithmic strategies. The empirical assessment of the proposed procedure shows an excellent performance by finding optimal and near-optimal solutions to very large-scale real-world instances within a few minutes of computational effort. KEYWORDS Operations research, territory design, mixed-integer linear integer programming, valid inequalities, branch and bound. 6 Artículo basado el trabajo “Planificación inteligente de territorios comerciales incluyendo requerimientos de realineación y asignación disjunta” Premio de Investigación UANL 2014 en el área de Ciencias Exactas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, J. Fabián López INTRODUCCIÓN El agrupamiento de pequeñas áreas geográficas en zonas más grandes (clusters) de acuerdo a criterios establecidos se denomina en la literatura especializada como diseño de territorios o distritos. En la Investigación de Operaciones el primer trabajo publicado para el problema de diseño y planificación de territorios puede ser referenciado a Forrest1 y Hess et al,2 en 1964 y 1965, respectivamente. Dependiendo del contexto del problema de aplicación, el concepto de “diseño territorial” se puede utilizar como una equivalencia al concepto de “distritación” que tanto se conoce en el ámbito de la demografía geopolítica. La investigación en el área de “distritación” es verdaderamente multidisciplinaria ya que incluye muchos campos tales como la geografía, la ciencia política, la administración pública y por supuesto la investigación de operaciones. Sin embargo, todos los problemas de esta àrea tienen en común la tarea de subdividir la región bajo estudio para el diseño y planificación de un cierto número de territorios, considerando diversos aspectos de capacidad. De hecho, los problemas de diseño territorial emergen de distintos tipos de aplicaciones del mundo real. Por mencionar algunos se pueden citar las aplicaciones de distritación política o electoral,3-4 el diseño de territorios para maximizar el aprovechamiento de la fuerza de ventas,5-9 la distritación escolar,10 y por supuesto el diseño territorial comercial,11-17 que es la aplicación de interés en el presente trabajo. El lector podrá encontrar una amplia discusión de trabajos de diseño territorial en Duque et al.18 y Kalcsics et al.19 La mayoría de los servicios públicos incluyendo hospitales, escuelas, transporte urbano, correo postal, entre otros, se administran sobre supuestos de límites territoriales. Se pueden mencionar aspectos económicos o demográficos que deben ser tomados en consideración para el diseño y planificación de territorios equilibrados que luego se traducen en aspectos de eficiencia económica y nivel de servicio. Como ejemplo de lo anterior, si se supone que cada uno de los territorios obtenidos en un plan óptimo es administrado solamente por un recurso, tiene sentido entonces la aplicación de criterios de balanceo para la cantidad de clientes, el volumen de ventas, las comisiones otorgadas, los recorridos en tránsito y las jornadas de trabajo asignados a cada responsable Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 territorial. Finalmente, es importante considerar ciertas restricciones físicas como parte de la definición geográfica del problema, tales como la contigüidad y la compacidad que deben tener los territorios obtenidos como resultado del diseño óptimo. El presente desarrollo se aplicó para el diseño y planificación de los territorios de venta y atención comercial en la red metropolitana de distribución de bebidas embotelladas (Embotelladora ARCA) en la ciudad de Monterrey, NL. Esta distribución consiste en la entrega y recolección física de producto desde los centros de distribución hacia los clientes finales, autoservicios, tiendas de conveniencia, supermercados, restaurantes y tiendas de abarrotes. El 90% del modelo de distribución de esta empresa se basa en un modelo de preventa terciada, esto es, se levanta el pedido hoy y se entrega al día siguiente. Cada ruta atiende un rango de 70 a 85 clientes por día. De este conjunto de clientes a ser atendidos por cada ruta de reparto, estadísticamente se conoce que hasta un 40% de dichos clientes requiere ser atendido dentro de cierta ventana de servicio (restricciones de horario). Además, la embotelladora opera rutas fijas de distribución a lo largo de todo el año, independientemente de la curva de estacionalidad. Es fácil identificar que potencialmente existen fuentes de inequidad en las cargas de trabajo de cada ruta a lo largo del año, ya que el proceso de diseño y planificación de rutas se define en forma manual y empírica, lo que limita la posibilidad de operar con mejores esquemas que logren generar beneficios económicos por reducción de costos. Todo lo anterior ocasiona un gasto innecesario y justifica el requerimiento de este proyecto cuyo desarrollo, obedece a una necesidad real y general que se presenta en este tipo de industria. La enorme demanda de un producto muy atomizado y de uso cotidiano; da como resultado que la red de distribución esté formada por un número considerable de puntos de venta. Por tanto, las entidades geográficas a agrupar y planificar son del orden de varias decenas de miles de elementos. La industria en general ha encontrado que dividir estos puntos en pequeños territorios, diseñados bajo criterios económicos y geográficos bien definidos, hace posible la administración de este enorme número de entidades económicas. Así entonces, los camiones repartidores son asignados para atender a 7 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al. uno o varios grupos (distritos, territorios) y sus rutas se diseñan considerando sólo los clientes ubicados en cada territorio. Los objetos que se busca agrupar son los puntos de venta pero, dado su enorme número, se ha hecho un primer agrupamiento a fin de reducir la escala del problema y simplificar su solución. Así entonces, todos los puntos de venta ubicados en una misma manzana geográfica se consideran como uno solo. De forma que, el objeto básico a planificar para el diseño de los territorios será entonces el conjunto de las manzanas geográficas de la ciudad de Monterrey (aproximadamente 34 mil manzanas). Con cada punto de venta se asocian varias medidas de desempeño (variables de actividad) y estas mismas tasas de rendimiento se asocian con cada manzana geográfica definida. Para cada manzana física, las medidas de desempeño serán simplemente la suma aritmética de las medidas correspondientes de los puntos de venta que la conforman. El entregable del proyecto es un modelo matemático (software) diseñado para resolver de manera eficiente y efectiva problemas de diseño y planificación de territorios. El software está diseñado para poder realizar análisis geo-espaciales de información de mercado de manera combinatoria a través del empleo de variables demográficas y socioeconómicas. Se busca impactar económicamente en la rentabilidad operativa y en el servicio dedicado a la distribución secundaria de la embotelladora. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA El problema para el diseño y planificación óptima de territorios se puede definir como el proceso para agrupar áreas básicas, es decir manzanas geográficas, en grupos o clusters geográficos de mayor tamaño. Estos nuevos clusters se denominan territorios. El planteamiento del problema incluye que cada manzana básica puede estar asignada a un solo territorio. El número de los territorios “p” que se requieren obtener es conocido y está determinado como un parámetro del modelo. Por otra parte, se requieren cubrir los criterios de compacidad y de contigüidad para los territorios propuestos en el plan óptimo. El atributo de contigüidad se puede definir como el efecto deseado de asegurar que un territorio no esté deformado geográficamente, lo que se traduce en que las manzanas geográficas que 8 conforman un territorio tengan que estar conectadas entre sí. Es fácil entender, que para obtener territorios contiguos, la información geográfica de las fronteras (o vecindades) de cada manzana, debe ser explícitamente alimentada al modelo matemático. Los territorios compactos generalmente tienen una operación geográficamente concentrada, lo cual permite disminuir los tiempos muertos por trayecto y por tanto, incrementar el tiempo disponible para mejorar el nivel de servicio. En las aplicaciones de diseño territorial del mundo real, las variables de balanceo que principalmente han sido utilizadas, están asociadas de manera directa a la actividad de venta en sí misma. La definición del problema incluye tres variables de actividad para cada manzana básica, las cuales son: (i) cantidad de clientes, (ii) volumen de ventas y (iii) jornada de trabajo. La jornada de trabajo se define como el tiempo que cada punto de venta (cliente) requiere, esto incluye tiempo de traslado, entrega de mercancía, recolección de envases y limpieza de exhibidores. Dicha variable de actividad está subordinada al tipo de servicio ejecutado en el punto de venta, lo cual a su vez depende de las características de cada cliente, así como de su localización geográfica. La variable de actividad de un territorio se define como la suma aritmética de la variable de actividad del total de las manzanas básicas que conforman dicho territorio. El diseño óptimo, busca que todos los territorios construidos estén apropiadamente equilibrados. De hecho, en este procedimiento de balanceo, se consideran cada una de las tres variables de actividad de manera individual y simultánea. Las manzanas básicas son entes geográficos con una ubicación específica dentro de una región. Los territorios formados toman en cuenta esta ubicación natural y es requisito que el territorio se forme únicamente con manzanas que colindan entre ellas, habiendo una razón muy simple para esto. Si para llegar a algún punto de venta (manzana) es necesario que el camión atraviese por puntos de venta que no pertenecen a su distrito, la reacción de los clientes, al verlo en sus alrededores, será pedirle abasto de mercancía. El repartidor no traerá más abasto que el calculado para su programación, por lo que el servicio tendría que negarse, lo cual traería como resultado que el cliente perciba una mala atención por parte de su proveedor, deteriorando la imagen Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al. de la empresa y constituyendo una fuente potencial de daño económico. La definición del problema incluye algunos diseños de territorios prescritos y/o prohibidos. Eso significa que pueden existir algunas manzanas básicas que por definición deban estar asignadas a un territorio específico. Del mismo modo, habría el caso contrario en donde ciertas manzanas básicas no pudieran estar asignadas conjuntamente a un territorio específico. Todas estas características pueden aprovecharse fácilmente, para que el modelo considere como parte de la definición del problema algunos territorios que puedan parcialmente estar predeterminados desde el principio del proceso de planeación como resultado de experiencias o planes anteriores. Esto significa que el modelo puede tomar en consideración ciertos territorios ya existentes y a partir de ahí asignar el resto de las manzanas básicas a dichos territorios preconstruidos. De manera especial, estas características del modelo se pueden también aplicar para considerar los obstáculos geográficos, como son ríos y montañas. Se puede entonces generalizar aquí que el problema de diseño territorial es común a todas aquellas aplicaciones del mundo real en las que se opere con un grupo de recursos escasos y que éstos requieran ser asignados para subdividir un área geográfica de trabajo extensa en subregiones de responsabilidad equilibradas. El objetivo, es encontrar el mejor agrupamiento por medio del cual puedan satisfacerse las restricciones impuestas y al mismo tiempo lograr la formación de grupos (distritos) balanceados con respecto a ciertos parámetros de venta y distribución establecidos. El problema se puede resumir como sigue: agrupar un conjunto V de manzanas básicas (con tres atributos de actividad en cada manzana) en un número limitado de p territorios que satisfagan los criterios para cada actividad, compacidad, contigüidad y similitud con el plan anterior. El problema se modela como un problema de programación real entera mixta, cuyos detalles pueden encontrarse en el trabajo de Ríos et al.20 MÉTODO DE SOLUCIÓN PROPUESTO Considerese el modelo AM desplegado en las expresiones (1)-(8), donde V denota el conjunto de unidades básicas (UBs); Vc, el conjunto de centros territoriales; A, el conjunto de atributos de las UBs; Fi, el conjunto de UBs pre-especificadas asociadas al Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 centro territorial i del plan existente; dij, la distancia entre unidades i y j en V; H, el conjunto que contiene todos los pares de manzanas que deben ser asignadas a territorios diferentes; wia, el valor de la actividad aA (número de clientes, demanda de producto y carga de trabajo) en el nodo i; τa, el parámetro de tolerancia de la actividad a; μa, tamaño promedio del terriorio a, dado por ; Ni, el conjunto de nodos que son adyacentes al nodo i. Las variables binarias de decisión se definen como xij = 1 si la UB j se asigna al territorio con centro en i; =0, de otro modo. Modelo (AM) Una de las dificultades principales en la resolución de este modelo es el número exponencial de restricciones de conectividad en (5), lo cual implica que es prácticamente imposible escribirlas explícitamente. Por lo tanto, consideramos en su lugar el modelo relajado (AMR) de (AM), el cual consiste básicamente de relajar estas restricciones de conectividad (5) del Modelo AM. Modelo (AMR) La idea fundamental de esta propuesta (ecuaciones 9 a 15) es resolver el modelo AMR como un programa entero mixto, y luego verificar si la solución obtenida satisface las restricciones de conectividad. Si 9 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al. las satisface, la solución obtenida para el AMR resuelve también el AM. Si no, se determina cuáles restricciones de conectividad no se satisfacen, agregando al modelo AMR una serie de restricciones violadas. El procedimiento se repite iterativamente hasta que la solución obtenida es totalmente conexa, lo cual implica una solución óptima al modelo AM. Esto se garantiza porque el problema de separación que identifica las restricciones o cortes que no se satisfacen se resuelve de forma exacta. Una panorámica general del método se despliega en la figura 1. Función method Input: Una instancia del problema TDP Output: Una solución factible X al TDP 1 Resolver modelo AMR para obtener X; 2 Identificar conjunto C de restricciones de conectividad del modelo AM que no satisface X; 3 Si |C|>0, agregar estas restricciones al modelo AMR y volver al Paso 1; 4 Return X; end method Fig. 1. Pseudo-código del método de solución. En el Paso 1, se usa un método de ramificación y acotamiento dado que no se está relajando la condición de integralidad de las variables binarias. Esta técnica es motivada por el hecho de que el modelo AMR puede resolverse óptimamente por métodos actuales de ramificación y acotamiento relativamente rápidos para instancias grandes. Por ejemplo, el modelo AMR puede resolverse en aproximadamente 30 s de CPU en una PC en instancias de 5000 nodos. Además, el identificar y generar las restricciones o cortes violados en el Paso 2 puede efectuarse muy eficientemente en tiempo polinomial, de tal forma que el procedimiento de solución visto globalmente parece atractivo, siempre y cuando el número de iteraciones requeridas para converger y alcanzar optimalidad no sea muy grande. El algoritmo encuentra una solución al modelo AM. Existen varios puntos importantes en materia de investigación de particular interés, tales como el comportamiento empírico del método propuesto en términos del número de iteraciones/cortes requeridos para converger al óptimo. Además, el hecho de que se está suponiendo un conjunto dado de centros, lleva a investigar si se puede explotar este hecho para desarrollar varias estrategias algorítmicas de 10 solución que permitan acelerar la convergencia del método. Estrategias algorítmicas para acelerar convergencia 1. Fijar variables: Eliminación de asignaciones de manzanas relativamente lejanas. 2. Fijar variables: Pre-asignación de manzanas relativamente cercanas. 3. Fortalecer las restricciones de conectividad. 4. Encontrar desigualdades violadas. Estas estrategias se plantean en detalle en un trabajo anterior.20 TRABAJO EXPERIMENTAL El tema central consiste en investigar el costobeneficio de las estrategias implementadas y el mostrar su valoración científica y práctica. El modelo fue implementado en el optimizador de programas enteros mixtos X-PRESS de FICOTM (Fair Isaac, antes conocido como Dash Optimization). El método fue ejecutado en una PC con 2 procesadores Intel Core a una velocidad de 1.4 GHz bajo el sistema operativo Win X64. Para evaluar el método propuesto, se utilizaron algunas instancias reales de 5000 y 10000 nodos y 50 territorios. En todos los experimentos se utilizó τa = 0.10 para toda a  A y un intervalo de optimalidad relativa de 0.01% como criterio de paro. La tabla I muestra el efecto de cómo se reduce el tamaño del problema bajo diferentes parámetros. Las primeras dos columnas reflejan el tamaño de la instancia original en términos de sus números de UBs, de territorios y de variables binarias (NBV). La tercera y cuarta columna despliegan los valores de los parámetros β y γ empleados en cada ejecución, respectivamente. La quinta columna (RNVB) muestra el número de variables binarias después de la reducción. La última columna muestra la reducción relativa lograda con respecto al tamaño original dada por: 100 × (NBV − RNBV)/NBV Como puede apreciarse, el número de variables binarias en el problema reducido crece a medida que β crece y γ decrece. Nótese que el caso β = 50.0 y γ = 0.0 implica que no se aplica ninguna reducción. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al. Tabla I. Efecto de reducción del problema. Tamaño (n, p) (5000,50) NVB (np) β γ 250,000 3.0 0.50 3.0 0.10 3.0 3.0 4.0 4.0 4.0 4.0 8.0 8.0 8.0 8.0 (10000,50) 500,000 50.0 0.00 13,542 94.6 0.50 4.0 4.0 8.0 8.0 8.0 8.0 50.0 9,702 95.0 96.1 0.25 14,612 94.1 0.00 19,400 92.2 0.10 0.50 0.25 0.10 0.00 17,545 20,484 30,365 36,253 39,755 0.00 250,000 0.25 21,227 0.10 4.0 12,428 0.00 0.50 0.25 0.10 0.00 0.50 0.25 0.10 0.00 0.00 91.8 0.0 25,027 95.0 29,609 35,352 39,244 41,531 60,810 72,214 79,693 500,000 95.8 94.0 96.0 94.1 92.9 92.1 91.7 87.8 85.5 84.1 0.0 Resumiendo, la estrategia adoptada es la de disminuir el espacio de soluciones factibles (para hacer el problema más tratable) para abordar un problema reducido que puede resolverse más eficientemente sin una pérdida significativa de optimalidad, para poder evaluar el costo-beneficio entre calidad de solución y tiempo de cómputo para diferentes valores de β y γ. Ahora se emplea el método aquí propuesto a instancias de 5000 UBs con 50 territorios. En este experimento se fija γ = 0.0, es decir, no se aplica la estrategia de conectividad forzada. La tabla II muestra los resultados obtenidos, las primeras dos columnas indican los valores de β y γ utilizados. La tercera y cuarta muestran el número de iteraciones (NI) y tiempo de CPU (s). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 4.0 0.50 0.25 0.00 0.50 0.25 0.10 8.0 0.00 0.50 0.25 0.10 85.5 84.1 γ 0.10 87.8 97.1 19,968 3.0 93.0 14,615 30,202 β 97.1 95.8 3.0 4.0 7,191 (5) 10,501 0.50 3.0 Reducción 0.25 3.0 3.0 RNVB Tabla II. Resultados para la instancia (5000, 50). 50.0 0.00 0.00 NI 25 Tiempo 5β 38 118 50 186 46 44 60 48 54 48 63 37 61 54 158 146 262 223 264 330 457 305 576 1930 BestSol IOR (%) 62.5056 0.0214 62.5027 62.4972 62.4978 62.5011 62.4986 62.4972 62.4957 62.5101 62.5002 62.4976 62.4956 62.4922 0.0168 0.0080 0.0089 0.0142 0.0102 0.0080 0.0056 0.0286 0.0128 0.0086 0.0054 0.0000 La quinta columna despliega el valor de la mejor solución factible encontrada (BestSol) y la última columna muestra el intervalo de optimalidad relativa (IOR) entre esta solución y la solución óptima (que corresponde a la fila β = 50.0 y γ = 0 cuando no se aplica ninguna reducción). Como puede verse en la tabla, la calidad de los resultados es excelente, reportando desviaciones del óptimo menores a un 0.03% en menos de 6 minutos en todos los casos. Nótese que la estrategia mostrada en la primera fila (correspondiente al caso β = 3.0 y γ = 0.50) tomó menos de un minuto, arrojando una solución que está a menos de 0.02% del óptimo global. La solución óptima (última fila) se obtuvo en poco más de 30 minutos de CPU. En resumen, esta tabla muestra que con las estrategias adoptadas es posible encontrar soluciones casi óptimas reduciendo el tiempo de cómputo a unos cuantos segundos. A continuación, se ilustra el desempeño interno del método como función del tiempo a través de las iteraciones del algoritmo propuesto. Las figuras 2 y 3 muestran los resultados para dos casos diferentes con valores (β, γ, δ) de (3.0, 0.25, 50.0) y (3.0, 0.25, 25.0), respectivamente. En cada figura se grafican las siguientes medidas: (i) número de UBs desconexas, (ii) número of territorios desconexos, (iii) número de cortes agregados, y (iv) valor de la función objetivo como función de las iteraciones, las cuales se muestran en el eje horizontal. Las medidas (i)-(iii) se toman en el eje vertical izquierdo y la medida (iv) en el eje vertical derecho. 11 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al. Fig. 2. Desempeño del algoritmo para la instancia (10000, 50) con β = 3.0, γ= 0.25, δ = 50.0. Como puede apreciarse en la figura 2, las primeras dos ejecuciones con alto valor del parámetro δ tienen un comportamiento similar. El número de UBs desconexas, de territorios deconexos y de cortes agregados al modelo decrecen con el número de iteraciones. Algo similar ocurre con el valor de la función objetivo pero en sentido opuesto. En los otros dos casos (figura 3) con valor bajo de δ, se presenta un comportamiento diferente. Particularmente, el valor de la función objetivo se mueve lentamente conforme avanza el tiempo. En efecto, esta es la razón por la cual se obtienen valores bajos en esta función. De ambos modos, es importante señalar que la metodología aquí desarrollada presenta un modelo entero que asegura asignaciones enteras en cada iteración y es importante verificar que tan Fig. 3. Desempeño del algoritmo para la instancia (10000,50) con β = 3.0, γ= 0.25, δ = 25.0 rápido evoluciona la heurística implementada para el modelo entero de asignación y converge a soluciones con un alto grado de conectividad. La figura 4 despliega la solución gráfica de la instancia de 5000 UBs, 50 territorios con tolerancia de 0.05. La leyenda en el costado del grafo indica el número de UBs contenidas en cada territorio, el cual se identifica por un código de color diferente. CONCLUSIÓN El algoritmo computacional propuesto se enfoca en resolver con eficiencia problemas de diseño territorial de alta dificultad matemática (NP-duro) para instancias de gran escala. Los resultados son satisfactorios en la parte Fig. 4. Resultado geográfico de un diseño territorial óptimo de la ciudad de Monterrey con 5000 UBs. 12 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al. computacional y económica. La metodología puede ser extendida para dar tratamiento a diversas variables de actividad simultáneamente, con lo que se pueden incorporar diferentes reglas de negocio y criterios de planificación. La aplicación directa de la propuesta tecnológica para la operación de una compañía embotelladora, se traduce en una mayor eficiencia en el aprovechamiento del equipo de transporte y en general en la disminuciòn del costo operativo de la distribución secundaria. El sistema propuesto considera las restricciones de ventana de horario de los clientes para el óptimo diseño territorial, reduciendo los trayectos muertos y se asegura la atención de una mayor cantidad de clientes en un menor tiempo y con el menor uso de recursos. AGRADECIMIENTOS Este trabajo de investigación ha sido financiado por el CONACYT (apoyos CB05-01-48499-Y y CB11-01-166397) y por el PAICYT de la UANL (apoyos CE012-09, CS470-10, IT511-10, CE72811, HU769-11). REFERENCIAS 1. Forrest E. Apportionment by computer. American Behavioral Scientist, 8:23–35, 1964. 2. Hess S.W., Weaver J.B., Siegfeldt H.J., Whelan J.N. y Zitlau P.A. Nonpartisan political redistricting by computer. Operations Research, 13(6):998–1006, 1965. 3. Browdy, M.H. Simulated annealing: An improved computer model for political redistricting. Yale Law and Policy Review, 8:163–179, 1990. 4. Hess S.W., Weaver J. B., Siegfeldt H. J., Whelan J. N. y Zitlau P. A. Nonpartisan political redistricting by computer. 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This set of PTP parameters and options allows IEEE 1588-based time synchronization to be used in mission critical power system protection, control, automation, and data communication applications utilizing Ethernet communications architecture. KEYWORDS IEEE 1588, PTP, protective relaying, smart grids, time distribution. RESUMEN Este trabajo proporciona un resúmen del estándar IEEE C37.238-2011, el cual especifica un subconjunto de parámetros PTP y opciones que proporciones disponibilidad global de tiempo, interoperabilidad del aparato, y manejo de fallas. Este conjunto de parámetros PTP y opciones permiten que la sincronización de tiempo basada en el IEEE 1588 sea utilizada en las aplicaciones de protección, control, automatización y comunicación de datos del sistema de poder crítico a la misión, utilizando arquitectura de comunicaciones Ethernet. PALABRAS CLAVE IEEE 1588, PTP, protective relaying, smart grids, time distribution. Artículo presentado en el XI Simposio Iberoamericano Sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia, UANL (2013) 101–109 reproducido con permiso del editor y los autores. INTRODUCTION Until relatively recently the time synchronization of electronic devices in power systems has been realized via dedicated wiring used for distribution of IRIG-B or 1PPS signals. IRIG-B has the accuracy for the newest substation application technologies: however it requires dedicated cabling to distribute the timing signals, which while providing a simple and reliable connection, imposes limitations on scalability, and increases deployment and maintenance costs. 1PPS is an even simpler method of distributing time which relies on precise time pulses every second distributed over dedicated wiring. These pulses however do not carry time-of-day information. Modern intelligent electronic devices (IEDs) capable of Ethernet communications presented an opportunity for the introduction of new methods Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 15 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. of time synchronization based on network protocols, such as Network Time Protocol (NTP) or Simple Network Time Protocol (SNTP); however, these protocols do not meet the required accuracy for all power system applications. IEEE 1588 is another network-based time synchronization protocol that meets the submicrosecond accuracy requirements for the most demanding substation applications such as IEC 61850-9-2 Process Bus or IEEE C37.118.1-2011 Synchrophasors; however it needed a PTP profile customized for power system applications which is now available with the IEEE C37.238-2011 Standard. IEEE 1588 and PTP Profiles I EEE St an da rd fo r a P re ci s io n Cl ock Sy nchr oni zat ion Protoc ol for Net worked Measurement and Control System was initially released in 2002 and revised in 2008, the IEEE Std. 1588-2008.1 The standard describes a protocol for distributing time with submicrosecond time accuracy over various communication technologies, such as Ethernet, UDP/IP, DeviceNet, etc. The key advantages of this standard are that timing can be distributed over the same network as application data, and time accuracies generally not achievable by other time distribution protocols become possible. PTP Profiles The IEEE Std 1588-2008 standard specifies many new features of the Precision Time Protocol (PTP), mandatory and optional, including conceptually new devices (transparent clocks), new message formats, etc. Development of this version was driven by five main industries: test and measurement, telecom, industrial automation, power and military. As a result, it was impossible to specify a single set of interoperable functions, as requirements for these industries differ significantly. To address this challenge a concept of PTP profile was introduced, as a clearly defined subset of protocol features, the use of which will meet specific industry requirements. Two default profiles are defined in the Annex J of the IEEE 15882008.1 Industries were encouraged to define their own PTP profiles to address specific requirements 16 of their applications. Currently active PTP profile developments are briefly described below. The PTP profile specified in IEEE Std. 802.1AS2011 is for time-sensitive applications in bridged Local Area Networks.2 It was developed by the 802.1 AVB (Audio/Video Bridging) Task Group of the IEEE 802 standards body which is responsible for Bridging,3 Ethernet,4 and Wi-Fi,5, 6 among others. The initial applications include professional A/V studios and “live sound”, home theatre, and automotive infotainment systems. The profile defines a Simple Network Management Protocol (SNMP) Management Information Database (MIB) for configuration, status and control. PTP profiles for telecom industry are being developed under ITU-T Study Group 15 Question 13. An approach was chosen to develop multiple profiles and devices to address specific application services. These services fall into two classes: • Frequency-only services–required to support the wander requirements of PDH or SONET/ SDH transport and support the synchronization needs of frequency division duplex (FDD) cellular communications systems. ITU-T Recommendation7 contains the telecom profile for frequency based services. • Frequency, time and phase-based services– required to support the synchronization needs of time division duplex (TDD) cellular communications systems, enhanced multimedia broadcast/ multicast service (MBMS), Long Term Evolution (LTE) Advanced services and other applications required high precisión time or phase-based synchronization.8 Other industries have also developed or are developing PTP profiles. PTP profile for test and measurement industry was developed by LAN eXtensions for Instrumentation (LXI) consortium.9 Society of Motion Pictures and Television Engineers (SMPTE) currently is developing a PTP profile.10 The Internet Engineering Task Force (IETF) community in TICTOC (Timing over IP Connection and Transfer Of Clock) Working Group, is currently not developing a PTP profile.11 It works on an SNMP MIB for generic PTP, security issues related to packetbased timing, and on transport of PTP over Multiprotocol Label Switching (MPLS). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. PTP Power Profile The primary need for developing a specialized PTP profile for power system applications is based on the specific substation network architectures, data exchange mechanisms, and performance of time distribution service required for power system applications. The profile is optimized for operation on isolated Ethernet networks with strict segregation of functions and a small number of dedicated grandmaster-capable clocks. Such networks are typical for power substation environment and are normally engineered (pre-configured) with static master/slave assignments, etc. It is important to note that these networks have to operate continuously (24/7) and need to exhibit deterministic (preprogrammed) failure behavior (scenarios include formation of operational islands, change of a grandmaster, etc). The performance of a time distribution service and required time accuracy depend on power application needs and vary from 100 ms (for substation monitoring), 1 ms (for IED event recording) to 1 s (for synchrophasor measurements and IEC 61850 sampled values service). The accuracy requirements for time synchronization messages are defined in IEC 61850-5 standard.12 Since all of these applications require performance which can be supported by synchronization at the 1 s level of accuracy (corresponding to ~0:02 degree error at power line frequency), the Working Group chose that level of performance for IEEE C37.238. Therefore a single time distribution service based on IEEE C37.238 can meet the requirements for all local and wide-area power system applications. Sections below describe timing requirements for two applications: IEC 61850 process bus and synchrophasors. The process bus can operate with local or relative time synchronization with the ability to create operation islands, while synchrophasors applications require synchronization to the global time. Timing Requirements for IEC 61850 Process Bus IEC 61850 introduces the concept known as “process bus” to substation automation systems. Although not necessarily implemented as a Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 physically separate communication network, process bus concept introduces the possibility of connecting process equipment, such as switchgear and sensors, directly via a digital interface to the rest of the system. Instantaneous current and voltage measurements are transmitted using the IEC 618509-2 “Sampled Values” (SV) service. At the point of use individual measurement samples must be synchronized to each other. The easiest way to achieve sample synchronization is to digitize all mutually dependent signals (complete protection zone) within the same device (“merging unit”). Unfortunately this concept does not scale (has difficulties addressing large substations). Multiple merging units can further be synchronized to each other by using 1 PPS pulses, IRIG-B or PTP based technologies. IEEE C37.238 fulfills the requirements of IEC 61850-5 for all synchronization classes. It is expected to replace point-to-point and other solutions which also fulfill these requirements since it does not require additional wiring. A concept of how to deploy a synchronization network based on IEEE C37.238 is suggested in IEC 61850-90-4. 13 The handling of redundant paths is described in IEC 62439-3 Annex A.14 The advantages of the PTP power profile include Layer 2 transmission, message priority, GrandmasterID TLV etc. and are described in this document. Timing Requirements for Synchrophasors Phasors are used to represent periodic signals in power system and other signal analysis. Synchrophasors are phasors that are synchronized to Coordinated Universal Time (UTC) or International Atomic Time (TAI) using a precise reference such as GPS or IEEE 1588. The standard IEEE C37.118.12011 15 defines synchrophasors for power systems and describes their estimation from power signals using a phasor measurement unit (PMU). Synchrophasors measured using a common time reference can be compared directly for power system analysis. PMUs thus allow measuring power system signals over a wide area and using the measurements directly for real time and off line analysis. 17 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. The C37.118.1 standard defines a cosine at the nominal frequency synchronized to UTC as synchrophasor time reference. Thus if the power signal is exactly at the nominal frequency and has a positive maximum at the UTC second rollover, the phase angle will be 0 degrees. Since the phase angle is determined by the time reference, any deviation time will result in a phase angle displacement. For example, with a 60 Hz power signal, a 50 s time deviation will displace the phase angle measurement by 1.08 degrees. This standard also describes measurement requirements and validation methods for assuring the measurement. Accuracy for synchrophasor measurements is determined by Total Vector Error (TVE) which compares the true and estimated phasor values. Both magnitude and phase angle are included in the TVE calculation. 1% TVE is the basic required accuracy (at steady state). A phase angle error of 0.57 degrees gives a 1% TVE. This translates to a time error of ±26 s for 60 Hz system and ±31 s for 50 Hz system. Since this is the maximum error that is allowed, the timing input must be much more accurate than this. The more accurate the time reference is, the more accurate the PMU measurements; and an accurate source of time can also allow reduction in cost of the PMU. It has been generally agreed that since ±1 s time accuracy is readily achievable, that this is a reasonable target accuracy for PMU timing inputs. Whereas IEEE C37.118.1 calls for synchrophasor timestamps from a timescale using leap-seconds, the IEC deprecates this, calling instead for the use of a timescale without leap-seconds. Though the epoch chosen (start of 1984) is different from PTP (start of 1970, TAI), the offset is an easily-handled constant by IEDs using IEEE 1588 clock sources (not so by IEDs using IRIG clock sources). This change avoids future problems due to satellite clocks, IEDs, data formats and applications software incorrectly handling leap-second events. PTP power profile achieves the above goals by relying on Layer 2 Ethernet transport mapping, selecting the peer-to-peer delay measurements to improve and bound the convergence time on grandmaster change and establishing the overall steady-state synchronization requirement of 1 s 18 worst-case time error over 16 network hops. The IEEE C37.238 Standard Profile for the Use of IEEE 1588 Precision Time Protocol in Power System Applications was developed by the Working Group (WG) H7 of the Power System Relaying Committee (PSRC) jointly with WG C7 of the Power System Substation Committee, both belonging to the IEEE Power and Energy Society (PES) in coordination with IEC Technical Committee 57 Working Group 10. IEEE C37.238 PARAMETERS IEEE 1588-2008 Clause 19 introduced the concept of a PTP profile, as a clearly defined subset of PTP protocol features, the use of which will meet specific industry requirements. Following this guidance, IEEE C37.238-2011 standard specifies PTP power profile that consists of IEEE 1588-2008 parameters and additional profilespecific parameters. Comparison between PTP power profile, and the peer-to-peer default PTP profile, specified in IEEE 1588-2008 Annex J.4, is given in table I. These parameters and IEEE C37.238 selections are discussed in more details in the subsequent sections. IEEE 1588-2008 parameters included into IEEE C37.238 PTP Power Profile are: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. • 1 s intervals for PTP messages • Multicast communications and Layer 2 mapping • Peer-to-peer path delay measurement • One-step and two-step clocks • Default Best Master Clock Algorithm, and • Local Time Type Length Value (TLV) extension Profile-specific parameters include: • Pdelay option for slave-only clocks • IEEE 802˙1Q tags • IEEE C37 238 TLV • IEEE C37.238 MIB • Steady-state performance requirements • Mappings for IEEE C37.118 and IEC 61850 protocols • IRIG-B replacement mode IEEE 1588 Parameters IEEE C37.238 specifies the following IEEE 1588-2008 parameters. Sync and Announce messages interval values IEEE 1588-2008 specifies a message-based Precision Time Protocol (PTP). PTP messages can be divided into 3 categories based on their function, as messages for: • Distributing time (Sync, Follow Up messages) • Selecting the best clock (Announce messages) • Measuring path delay (Pdelay messages) The IEEE 1588 allows for a wide range of message intervals, to accommodate the large variety of applications the standard is expected to support. However, to guarantee interoperability and simplify device configuration IEEE C37.238 sets each of the message interval to once per second (see table II), support for other intervals is not required. This selection is based on WG philosophy to use mandatory and fixed choices whenever possible. In addition the IEEE C37.238 profile sets the announce timeout interval to 2 s for preferred grandmaster clocks and 3 s for other devices. This provides faster grandmaster recovery using the Best Master Clock algorithm. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 Communication model and transpor t mapping PTP messages can be carried over different underlying communication protocols. IEEE 15882008 specifies transport mapping to UPD/IP, Layer 2 / Ethernet, DeviceNet, etc. A given PTP profile should specify transport mapping, type of addressing (e.g.multicast or unicast) and addresses used. The IEEE C37.238 standard specified the use of multicast messages and IEEE 802.3/Ethernet transport mapping, specified in Annex F of IEEE 1588-2008. In addition, it requires the use of IEEE 802.1Q tags, described in section 2.2 on profilespecific parameters. Path delay measurement mechanism The IEEE 1588 standard includes two different methods to measure message delays in the network, so that the effects can be corrected in the clocks. With End to end delay measurements, masters and slaves exchange messages to measure the delay between them. Alternatively in the peer delay measurement method, messages are exchanged between adjacent devices on the network to calibrate the link delay between them. In the peer delay mechanism each network element corrects for the delay of inbound sync messages using the previously measured link delay. In IEEE C37.238 only the peer-to-peer delay mechanism is used. The advantage of this approach is that all link delays are premeasured as a background task by network elements. Therefore, if the Sync messages abruptly change paths, due to the failure of a network element, then the message delay of the new path is already measured, and is immediately 19 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. corrected. This is achieved by devices exchanging peer delay messages on network ports that are otherwise blocked by Spanning Tree protocols. In addition, network loading on the grandmaster is reduced since it does not have to respond to Pdelay Req messages from every slave. The peer-to-peer delay mechanism requires both devices on a link to exchange Pdelay Req and Pdelay Resp messages in both directions. Further, requests and responses must be correlated. Because of the desire to accommodate simpler slave protocol logic, the IEEE C37.238 standard gives the slave-only devices the option of not executing peer delay measurements. This is further explained in section 2.2. Clock types: One-step and two-step The IEEE 1588-2008 standard specifies two types of clocks: onestep and two-step clocks. The main difference between them is that one-step clocks update Sync messages that carry grandmaster’s time on-the-fly, by overwriting the “approximate” timestamp with the actual precise time of when the Sync message is egressing the clock and is hitting the communication media, while twostep clocks require an additional message called Follow up to transmit this precise time, One-step clock require special hardware assistance to update Sync messages on-the-fly. The IEEE C37.238 standard specifies the use of both one-step and two-step clocks. It also recommends the use of one-step clocks, as it results in less network traffic and potentially simpler implementations. The use of two-step clocks is also supported because of their early availability and use. Expanding use of PTP has driven continued development and presently both one-step and twostep clock chips are commercially available. All peer-to-peer transparent clocks accurately measure the residence time that is the time that Sync messages spend inside an Ethernet switch (transparent clock), as well as the communication link delay between devices. One-step transparent clocks provide residence time value in the correctionField of the Sync message, while two-step transparent clocks put this value in the correctionField of the Follow Up message. A similar process applies for Pdelay 20 Resp and Pdelay Follow Up messages that are used to measure communication link delay. If a two-step transparent clock is connected to a one-step clock, it should operate as defined in subclasses 11.5.2.2 and C.3.6 of the IEEE 1588.1 When it receives a Sync message from onestep clock with the twoStepFlag set to False, it should set the twoStepFlag to True and send an updated Sync message. As it will not receive a Follow Up message from the one-step clock, the clock should generate a new Follow Up message with the correctionField information. PTP fields sequenceId and domainNumber should be copied from the Sync message to the new Follow Up message. As specified in subclass 11.2 of the IEEE 15881 a slave clock should use the sum of the CorrectionField values in the Sync and Follow Up messages to compensate for delays in communication links and Ethernet switches. Best master clock algorithm IEEE 1588-2008 supports automatic selection of the best master clock in the system, upon initial setup and any reconfiguration / changes. It specifies default Best Master Clock Algorithm (BMCA) that uses Announce messages to select the best Fig. 1. Conversion between one-step and two-step clock. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. master. ClockClass, ClockAccuracy, and clock’s MAC address can be used for selecting the best clock. Configurable Priority fields are provided for controlled best master selections. IEEE C37.238 standard specifies the use of default best master selection algorithm with one addition: only preferred grandmaster clocks shall advertise themselves as potential grandmasters by sending Announce messages. This is selected to reduce network traffic and network convergence time during grandmaster selection. It is expected that substation networks would have 2 or 3 preferred grandmaster clocks for redundancy; other devices should be slave-only. Local time TLV IEEE 1588-2008 specifies Type Length Value (TLV) mechanism for protocol extensions, if needed. It also defines a number of IEEE 1588 TLVs that can be used by industry-specific PTP profiles. One of these TLVs is ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR TLV specified in the IEEE 1588 section 16.3. The TLV allows the grandmaster clock to send time zone related settings to slave devices. It is a requirement for IEEE C37.238-compliant grandmaster clocks to add an ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR TLV to its Announce messages. A node (for example an IED) requires additional information if it needs to relate its own local time to UTC time. This TLV has a current Offset data field and therefore can provide the data required to convert the UTC-based time information into local time the requirement to include this TLV ensures that all applications migrating their time synchronization solution from IRIG-B to IEEE C37.238 can rely on receiving this information when switching to IEEE C37.238. The ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR TLV also supports indicating a time jump (e.g. an upcoming daylight savings time change event). A grandmaster clock is allowed to send multiple ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR TLVs (although additional TLVs have to be added after the two mandatory TLVs, i.e. after the first ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR TLV Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 and the IEEE C37 238 TLV which is also mandatory is described in section 2.2). A posible scenario for this is a network environment that spans more than one time zone. Profile-Specific Parameters IEEE C37.238 standard includes the following profile-specific parameters. Pdelay option for slave-only clocks IEEE C37.238 standard supports simple slaveonly devices, e.g. fault recorders, etc. To maintain simple implementations for such slave-only devices, Pdelay measurement on the last communication link to these devices is optional. This means that the delay of the last link in the path between the master and slave is not required to be compensated when setting the time at the slave. Often this error in the overall path delay calculation is aceptable for the length of this link and the accuracy desired. For example, the delay in a CAT 5 UTP or silica glass fiber optic network cable is approximately 5 ns/m, and therefore the error introduced by a 5 m long cable is only 25 ns. (IRIG-based timing systems do not automatically compensate for cable delays.) IEEE 802.1Q tags The IEEE C37.238 standard requires that all messages comply with the IEEE 802.1Q protocol which inserts a tag into each frame; these tags have two fields of interest: • The frame’s priority (3 bits) • The frame’s VLAN membership (12 bits) The main reason is to include the priority field that enables mission-critical traffic (like substation protection messages) to have priority over less critical traffic (like file transfers), when competing for the same switch port. The VLAN field enables applications to be separated so that the cables to each application’s IEDs only carry messages intended for these application’s IEDs (thereby enhancing the messages’ security and dependability). Note that this does not preclude distribution to all IEDs if it is required by the applications. 21 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. The WG felt that some, but not all, installations would require the use of these IEEE 802.1Q tags. The guiding philosophy that “all options must be justified” (and no justification surfaced) then drove the decision to mandate the use of this IEEE 802.1Q protocol. Default values of the parameters in the IEEE 802.1Q tags were selected to be the same as those in IEC 61850-9-2 specification: the default priority is equal to 4 and the default VLAN ID (VID) is equal to 0 (priority only frames). VLANs can offer the following benefits: • Blocking security threats • Improved message dependability (from the reduction of traffic) • Message confidentiality (IEDs cannot monitor messages from other applications) • Allowing several IEEE 1588 time-distribution systems on the same network, e.g. IE EE 8 02 .1 AS and IEEE C37.238 (to simultaneously support audio/video networked applications) A plurality of IEEE C37.238 systems (each IED receives multiple sources, for extra dependability). Note that the use of VLANs is not a panacea for the droppedpackets and latency-jitter arising from network congestion (it only helps); good traffic engineering is still needed. For more information on VLANs refer to.3 Note also that as with many other performance features, no assumptions should be made regarding the ability of switches under consideration to support the ingress and egress of IEEE 802.1Q-tagged traffic (some switches always remove tags from the frames egressing “edge” ports). By default, all devices are expected to accept IEEE C37.238 messages that have had their IEEE 802.1Q tags removed, and tagged IEEE C37.238 messages with their configured VID value. IEEE C37 238 TLV IEEE C37.238 standard specifies mandatory profile-specific IEEE C37 238 TLV It contains • GrandmasterID • GrandmasterTimeInaccuracy • NetworkTimeInaccuracy 22 IEEE C37.238 slave clocks may find themselves in the position of serving time (timestamped data) to other applications. In doing so, slaves must be able to accompany their data with precise indication about their clock quality and the exact identity of the grandmaster clock to which the slave is synchronized at that time. Under stationary conditions any given IEEE C37.238 time distribution network can have only one grandmaster. However, during transient conditions (such as fragmentation and rejoining of islanded network segments caused by unexpected network failure) it is possible that the data from different slaves may reach their destination before IEEE C37.238 has time to re-elect the new grandmaster. Power system applications using such data must be able to identify that the data supplied by different slaves is not synchronized with each other and to correctly react to this situation. Both IEEE 1588 and therefore IEEE C37.238 have a unique 8-octet field called clockIdentity. This field is sufficient to uniquely identify the applicable grandmaster clock. Unfortunately, message payload limitations of several power grid applications; most notably the IEC 61850-9-2 SMV data exchange make it necessary to transmit this information using a single octet field. To enable such applications the IEEE C37.238 mandatory TLV includes a 2-octet field named GrandmasterID. On any given network GrandmasterID must be unique and is normally assigned (set) during configuration. Most significant octet of the GrandmasterID is reserved and must be set to 0. Other values are illegal and indicate GrandmasterID field is not configured. The dynamic indication of the received clock quality can be deduced from the TimeInacuracy parameters. IEEE 1588 has 8-bit clockAccuracy parameter to communicate clock quality, however this parameter is often set once in clock hardware and does not change depending on current conditions. It also has predefined allowed values with large steps, thus its resolution is insufficient. IEEE C37.238 TimeInaccuracy is defined as a device’s estimate of current worst-case time error (its magnitude) between time that the device provides and traceable time. There is GrandmasterTimeInaccuracy, provided by grandmaster-capable Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. devices, and optional NetworkTimeInaccuracy, provided by the time distribution network. The NetworkTimeInaccuracy is a compound field that allows accumulation of time errors provided by each network device. This allows capable network devices (transparent clocks) to report their current worst-case time error, so that the slave devices can account for the time error introduced by the network. Note that if network devices are not capable of adding their current worst- case time error, they can add their maximum time error of 50ns, as specified in IEEE C37.238 Annex B, To estimate the current quality of the received clock, slave devices can add received GrandmasterTimeInaccuracy and Network- TimeInaccuracy, if provided. Note that for network engineering purposes the IEEE C37.238 standard also provides Engineered- TimeInaccuracy, which contains the worst NetworkTimeInaccuracy from a given device to all preferred grandmasters. All these parameters are 32-bit unsigned integers in nanoseconds that allows for a range of 0 to approximately 4.29 s, with one nanosecond resolution. In addition to distributing GrandmasterID and TimeInaccuracy parameters, the IEEE C37.238 TLV provides a mechanism for PTP Power Profile Identification. IEEE C37.238 MIB For system-wide configuration and status monitoring of the devices over a communication network, the IEEE C37.238 standard specifies the IEEE C37.238 MIB for use by SNMP. The MIB is required only for grandmaster-capable devices. It includes objects for boundary / ordinary clocks and transparent clock objects that are aligned with IEEE 1588-2008 datasets, plus profile-specific parameters. Among profile- specific parameters are GranmasterID, TimeInaccuracy, discussed earlier, as well as OffsetFromMaster- Limit, which should be set to the max allowed time error for a given application, for example it could be set to 1us. In addition, the MIB includes SNMP events (traps) that report a change of grandmaster, that another PTP profile is detected, that offset from master exceeded configured OffsetFromMasterLimit, etc. Note that local configuration and status monitoring could be Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 added and supported by implementations, if it is required by the application(s). Steady-state performance The IEEE C37.238 standard defines steady-state performance requirements for the time distribution service to the end devices. Requirements for the end devices are application-specific and are not specified. Annex B of the IEEE C37.238 standard states that a time shall be distributed over 16 network hops with 1 s time accuracy at the input to the end device. The time reference source can contribute less than 0.2 s to the total time error, and network devices (transparent clocks) can contribute up to 50 ns each. The steady-state performance is defined for network loads at 80% of the wire-speed. IEEE C37.238 time distribution network is shown on figura 2. In addition, to support quality of time distribution service during grandmaster change, the IEEE C37.238 standard specifies holdover drift for grandmaster-capable devices to be within 2 s for up to 5 s at a constant temperature. Mapping into IEEE C37.118.1/2 and IEC 61850 The IEEE C37.238 standard’s Annex C suggests the mapping of IEEE C37.238 parameters into IEC 61850 family of standards (IEC 61850-7-2 IED timestamping, IEC 61850-8-1 GOOSE messages and IEEE 61850-9-2 SMV) and IEEE C37.118.1/22011 synchrophasor formats. It suggests the mapping of the time error estimate and traceability to a recognized standard time source. This information is required for both IEEE C37.118.1/2 and IEC 61850 applications, thus a guidance is provided to facilitate the use of IEEE C37.238 for these applications. IRIG-B replacement IEEE C37.238 standard provides an informative Annex C to suggest how slave-only IEDs could decipher the IEEE C37.238 figure 2. IEEE C37.238 steady-state performance requirements messages into any of the timescales in common use; namely PTP, UTC, and local time (with DST when in use); plus how to correctly handle leap-second events. This is because many s5acks by others. 23 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. Fig. 2. IEEE C37.238 steady-state performance requirements. Loss of timing due to antenna not receiving signals E.g. from growth of trees and buildings, or from antenna or cable failures. Wrong time E.g. from GPS network faults or from malicious signal spoofing. Some mitigation technologies to consider include a backup antenna, alternate timing sources (e.g. GLONASS4, WWVB5), a local high-stability oscillator (a tradeoff between cost and outageduration tolerance), and terrestrial based distribution methods based on SONET or IEEE C37.238 / PTP systems in the future. Although these concerns are real, presently many hundreds of thousands of GPS receivers are in use in the power and telecom industries with outstanding reliability and availability. GPS and other GNSS systems including GLONASS and Galileo will likely be, for the foreseeable future, the most reliable and cost-effective means to provide accurate time and frequency distribution to geographically-diverse locations. Network Security The use of a network protocol (Ethernet) obviously makes the IEEE C37.238 time-distribution 24 more susceptible to disruptions than would be expected in the traditional IRIG-B installations. There are two approaches for guaranteeing the integrity of traffic on Ethernet networks: • Cipher security • Circuit isolation IEEE C37.238 does not provide a cipher security algorithm since none is provided by the IEEE 1588 standard. (IEEE 1588- 2008 does provide an informative Annex K with an “experimental” protocol, but this has not been considered useful.) The second approach is the one recommended by the IEC security standard IEC 62351-6, which in clause 4.1 states: “For applications. . . requiring 4 ms response times, multicast configurations and low CPU overhead, encryption is not recommended. Instead, the communication path selection process (e.g. the fact that GOOSE and SV are supposed to be restricted to a logical substation LAN) shall be used to provide confidentiality for information exchanges.” The requirement for IEEE C37.238 messages to be IEEE 802.1Q compliant enables this approach. The network switches must of course have their ports configured securely (e.g. using SNMPv3) and appropriately (the correct VLAN assignments to the ports’ blocking, and passing, VLAN lists). EEE C37.238 time-distribution networks can therefore be secured using IEC 62351-6. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. Timescales The purpose of IEEE C37.238 is for IEDs to provide timestamps for events; however the PTP timescale use differs from the timescales in general use by substation IEDs; for this reason the IEEE C37.238 standard provides guidance for the conversions to these timescale in informative Annex C. The PTP timescale was created around the start of the current millennium by the IEEE 1588 Working Group when it was found that there was no standard timescale (from an approved standards organization) with a defined epoch (start). (A common view that TAI has a defined epoch is incorrect.) The WG chose their PTP epoch to be the start of 1970 on the TAI timescale. (This was 8.000082 seconds before the start of 1970 on the UTC timescale.) To support applications requiring UTC time (the majority of power applications presently use UTC time), the PTP messages contain a “currentUtcOffset” field whose value is the number of seconds by which TAI is ahead of UTC. (This changed from 34 to 35 seconds at the start of July 2012.) Though both IEEE C37.118 and IEC 61850-7-2 specify that their timestamps’ epoch shall be the start of 1970 on the UTC timescale, in practice all implementations use an epoch 82 _s later (when the UTC second rollover was aligned with the TAI second rollover), allowing the simple conversions: IEEE C37.118 “SOC” = PTP Time (s)“currentUtcOffset” IEC 61850 “SecondsSinceEpoch” = PTP Time (s){“currentUtcOffset” with IEC 61850 “LeapSecondsKnown” field = “True” For syncrophasor IEDs, IEC 61850-90-5 specifies the transport of syncrophasor messages using both the IEC 61850-8-1 protocol (for events, e.g. GOOSE) and the IEC 61850-9-2 protocol (for streaming data, e.g. SV), with the recommendation that for both cases TAI be used for all timestamps. The demonstrated difficulty (e.g. satellite clock hiccups) of correctly handling leap-second events, plus the timestamp ambiguities arising from seconds being repeated, has motivated many groups to deprecate the use of UTC for timestamps (handling the conversions only when presentations in UTC (or local time) are required on HMI displays). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 For IEC 61850 this can be handled by setting: IEC 61850 “LeapSecondsKnown” = “False” with IEC 61850 “SecondsSinceEpoch” = PTP Time (s). Future Support for Wireless Links The communication of precise time over wireless links is an area of interest for a future version of IEEE C37.238, and is under study. Unlike modern Ethernet links, which are full duplex and maintain a consistent bit rate and link delay over time, wireless network links provide no such guarantees. Indeed, retransmissions, frame aggregation (MAC or PHY) and bit rate variability can result in orders of magnitude worse jitter which is are not comprehended in the current version of IEEE 1588, making interoperable submicrosecond accuracy difficult. One promising option under investigation for IEEE 802.11 links5 is a recent amendment to the wireless standard that defines measurement of transmit/receive times and wireless link delays that are independent of the sources of perturbation listed above. It’s called the TIMINGMSMT primitive and is defined in IEEE 802.11v.6 It should be possible to satisfy the requirements of IEEE C37.238 over wireless links using this approach, but few measurements from devices that implement IEEE 802.11v TIMINGMSMT have been published at this time. Also, this time measurement approach must be harmonized with Ethernet PTP measurements and synchronization. It is promising that an audio-video profile of IEEE 1588 specified in IEEE 802.1AS2 has demonstrated the feasibility of such harmonization. CONCLUSIONS The IEEE C37.238-2011 standard specifies the PTP power profile for power system applications. The profile is optimized for use in specific power substation network architectures and meets timing requirements of the most strenuous power system applications. 25 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. ACKNOWLEDGMENT The Working Group would like to thank all contributors who made the generation of the PTP power profile and this paper possible: Members and Guests of the IEEE PES PSRC Working Group H7, IEEE PES Substation Working Group C7, IEC TC57 WG 10, IEC TC38 WG37, IEEE PSRC Working Groups H11 and H19, and the whole power and timing communities for their dedication, guidance and support. REFERENCES 1. 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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era digital: Una aproximación conexionista Guadalupe E. Morales MartínezA, Ernesto O. López RamírezA, María Isolde Hedlefs AguilarB, Claudia Jaquelina González TrujilloC, Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Psicología, Laboratorio de Ciencia Cognitiva B Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Doctorado en Ingeniería con acentuación en computación y mecatrónica C Universidad de Monterrey Departamento de Educación elopez42@att.net.mx A RESUMEN Se implementó una red neural simulada capaz de identificar cuando un estudiante integra o no en su memoria a largo plazo el nuevo conocimiento a aprender, lo cual es útil para identificar a los estudiantes que tienen retención de corto plazo y que logran pasar el examen, pero que no adquieren competencias de largo plazo. Dicho sistema computacional evalúa en estudiantes los tiempos de reconocimiento de palabras centrales a un curso. Si el estudiante integró en su memoria a largo plazo el esquema de conocimiento que sustenta el conocimiento entonces el sistema reconocerá por sus tiempos de respuesta que así fue. Se argumenta que esta forma cognitiva de evaluar el aprendizaje en línea permite avanzar sobre un estancamiento notable de evaluar el aprendizaje en línea en la actualidad. PALABRAS CLAVE Redes semánticas, facilitación semántica, conexionismo, aprendizaje en línea. Artículo basado el trabajo “Nuevas direcciones empíricas en la investigación e innovación de tecnología educativa para la evaluación del aprendizaje en línea: una aproximación conexionista”, Premio de Investigación UANL 2 0 1 4, e n e l á r e a d e Humanidades. ABSTRACT A neural net was implemented to discriminate students who integrated knew knowledge in long term memory from those who did not by just considering word recognition latencies to concepts schematically related by a course. This is helpful to identify students that only retain information in short term memory to successfully pass an exam but do not acquire long term competencies. It is argued that by considering this learning assessment approach over formal elearning settings, significant delay to innovate learning assessment in virtual learning platforms can be overcome since nowadays online learning assessment is reduced to reproduce or adapt old testing methods. KEYWORDS Semantic nets, semantic priming, connectionism, e-learning. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 27 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. INTRODUCCIÓN El tiempo en el que se dan los cambios de producción de nuevo conocimiento y su difusión en la educación sobrepasan con mucho el paso al que las instituciones educativas pueden cambiar su infraestructura para adaptarse a las nuevas demandas educativas. Es aquí, en términos educativos, que las Tecnologías de la Información y Comunicación (TICs) han mostrado ser una excelente alternativa cuando es necesario responder a las nuevas demandas de cambio de difusión y enseñanza de la era digital de información actual. En particular, desde la introducción de los primeros sistemas de instrucción asistida por computadora (PLATO, TICCIT, Instrucción inteligente, aprendizaje guiado, etc.1) hasta las nuevas plataformas de aprendizaje virtual como Learning Space, Blackboard, Moodle, etc. (que favorecen la conectividad, la sociabilización, el aprendizaje colaborativo y cooperativo, etc.2-4) han existido grandes avances en cuanto se refiere al uso de tecnología educativa para facilitar la instrucción y el aprendizaje. El diseño de interfaces (de alta usabilidad) que permiten el uso de multimedia,5 acceso a bases digitales, web semántica,6 realidad aumentada,7-8 son con mucho un buen ejemplo de como la instrucción y el aprendizaje han sido redefinidos en favor de un nuevo sistema educativo más competitivo. Sin embargo, cuando viene el caso de evaluar el aprendizaje en línea usando esta tecnología educativa existe un retraso sumamente notable, sobre todo en cuanto a la innovación se refiere. Al parecer la tecnología es usada para reproducir sistemas de evaluación estándar como lo son exámenes, productos o actividades de aprendizaje (algunos casi de corte Aristotélico). La diferencia existente entre el desarrollo de sistemas de instrucción y los sistemas de evaluación del aprendizaje en línea es simplemente enorme para no ser notado. Un sistema educativo tecnológico moderno no puede estar simplemente diseñado para reproducir, recomponer o adaptar el pasado al contexto de aprendizaje del aula escolar del siglo XXI de un nativo digital. Nueva investigación y desarrollo está en demanda para atacar este retraso espectacular. En particular, aquí se argumenta que si bien modelos de cognición humana han jugado un papel relevante desde inicios de los 80s, moldeando diseños e 28 implementación de modelos de Interacción Humano Computadora (HIC)9-11 estos lo han hecho enfocados en fomentar el aprendizaje facilitando la instrucción pero olvidando la innovación en la evaluación del aprendizaje en línea12. Esto es así debido a que existe un desconocimiento significativo del potencial de los nuevos avances en ciencia de la computación y del estudio de la cognición humana en cuanto a desarrollar e innovar la evaluación del aprendizaje. De esta forma el programa de investigación y desarrollo que se describe a continuación pretende señalar una nueva línea empírica a través de un primer prototipo de evaluación de aprendizaje en línea que conjunta áreas de ciencias de la computación (redes neurales), medición de la organización de información en la memoria a largo plazo de los estudiantes (paradigmas experimentales de facilitación semántica) y modelos actuales de representación del conocimiento (esquemata emergente, redes semánticas naturales). El objetivo final es llegar a un proyecto de transferencia tecnológica dentro del contexto de la tecnología educativa de las universidades virtuales de nuestro país. VISUALIZANDO DE OTRA FORMA EL CONOCIMIENTO EN LA MEMORIA HUMANA Marzano y colegas,13-14 señalan que la evaluación tradicional del desempeño académico no permite determinar si se desarrolla una integración del conocimiento que se adquiere a largo plazo ya que muchos estudiantes son capaces de generar estrategias de aprendizaje que les permiten ir avanzando a través de los grados escolares sin que esto implique un aprendizaje significativo a largo plazo. Una estrategia de éxito típica es la de retener información en la memoria de trabajo de la persona por días e incluso semanas hasta lograr pasar un examen o simplemente hasta que este conocimiento ya no les sea de utilidad para su éxito escolar.15-17 En particular las evaluaciones estandarizadas han mostrado tener valor predictivo sobre el futuro desempeño académico de los estudiantes. Se asume que este éxito académico se debe al conocimiento adquirido pero en realidad puede ser debido a que solo miden la estrategia de éxito ya que las pruebas tradicionales solo miden que es lo que las personas no saben pero no lo que si saben. Lo Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. Fig. 1. La probabilidad de co-ocurrencia entre dos conceptos a través de grupos de definición se da usando una forma de cálculo bayesiano. que es peor aún y cuando las personas integran de forma significativa información a largo plazo, estas parecen solo retener el esquema general que sustenta dicho nuevo conocimiento y no la información específica que empodera a dicho esquema.18-19 Es claro que para conocer exactamente si en realidad un nuevo esquema es integrado en MLP y cuál es la información que perdura en el genera una nueva demanda de nuevas formas de evaluar lo que realmente se integra en nuestra memoria a largo plazo cuando se integra nuevo conocimiento. En su fase inicial la presente investigación propuso una idea inicial para responder a esta demanda. En particular se usó una técnica de representación mental denominada Redes Semánticas Naturales (RSN;20-21) para obtener definiciones conceptuales relacionadas a un esquema de conocimientos las cuales se usaron para implementar un modelo conexionista (redes neurales) que era capaz de simular el comportamiento del esquema mental y el efecto que este tiene en la organización del conocimiento contenido por el esquema. Esta primera aproximación se denominó Semantic Analyzer of Schemata Organization (SASO;22). La figura 1 muestra como en la técnica SASO se usa primero la técnica de RSN para obtener definiciones conceptuales de conceptos de un esquema de conocimiento (conceptos objetivo) usando otros conceptos unitarios (definidores). Aquí, valores de relevancia semántica (valor M) para cada definidor son obtenidos de los mismos participantes. Cada grupo SAM se constituye de los 10 definidores de mayor peso para cada concepto objetivo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 Fig. 2. Un análisis de escalamiento multidimensional sobre la matriz de pesos SASO muestra una organización conceptual sistemática del esquema de cuarto analizado por el presente proyecto. Pesos de conectividad semántica (Wij) entre conceptos definidores son obtenidos calculando la co-ocurrencia de pares de conceptos (Xi y Xj) a través de las definiciones obtenidas de los participantes. Cuando un análisis de escalamiento multidimensional es aplicado a una matriz de pesos de asociación SASO entre conceptos (usando Wij como índice de distancia semántica) se puede observar que los conceptos parecen mantener una distancia semántica entre ellos dependiendo de su relevancia al esquema. Por ejemplo, en el caso del esquema mental de un CUARTO en donde se obtuvieron definiciones conceptuales a instancias 29 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. Fig. 3. Resultados de 2 simulaciones computacionales conexionistas SASO. Se observa que emergen esquemas relacionados a el cuarto de RESTAURANT y EDIFICIO cuando se activan los conceptos MESERO (**) y CUARTO (**) respectivamente. de este esquema como RECAMARA o COCINA, la matriz SASO muestra una organización conceptual como la ilustrada en la figura 2. Aquí, la organización conceptual resultante parece reflejar organización conceptual por semejanza o cercanía semántica.22 Dicha matriz de valores SASO fue usada de forma sistemática en una gran variedad de ocasiones por una maquina conexionista (red neural) Boltzman para emular el comportamiento esquemático que subyace a la organización de conocimiento.23 Por ejemplo, en el caso del esquema de CUARTO antes mencionado, la figura 3 muestra una pantalla de resultados de simulaciones Boltzman ilustrada para un esquema conteniendo 141 definidores. El valor a la izquierda de cada definidor representa su valor de entrada (nodo neural), mientras que el valor de la derecha representa su salida. El valor 30 de 100 para el valor de entrada se representa con doble asterisco (**). Nótese que en la pantalla de la derecha el concepto activado fue CUARTO. Interesante a este respecto es que aún y cuando CUARTO es el definidor más alto para el concepto de EDIFICIO, el grupo de definición conceptual de CUARTO no se activó. En vez de esto, un patrón categórico no muy bien definido fue obtenido. Si en vez de activar el nodo CUARTO se activa el nodo LADRILLO entonces los grupos conceptuales de EDIFICIO son activados (CUARTO, VENTANA, CONSTRUCCIÓN, PUERTA, LARGO, etc.). Dichas simulaciones permitieron escoger pares de conceptos que estuvieran relacionados por el esquema y no por una relación asociativa o categórica. Estos pares como se observa a continuación son de relevancia para determinar la validez psicológica del esquema en cuestión. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. Fig. 4. Secuencia de eventos en experimentos de reconocimiento de palabras con tareas de decisión lexical para observar si existe facilitación semántica. USANDO LA TÉCNICA SASO PARA EVALUAR EL APRENDIZAJE Parte de la investigación que sustenta el presente documento señala que es posible demostrar experimentalmente que el efecto que tiene el comportamiento del esquema simulado sobre la organización de la información tiene validez psicológica. En particular, se ha sugerido que usando una técnica cognitiva experimental denominada facilitación semántica24 es posible determinar si un esquema de conocimiento existe en un estudiante si y solo si este ha sido integrado en su memoria a largo plazo. En un estudio típico de facilitación semántica se trata de observar si la relación semántica que un concepto (facilitador) guarda con otro concepto (objetivo) afecta el reconocimiento de este último. La figura 4 describe la secuencia de un ensayo experimental en este tipo de estudios. Si el estímulo objetivo guarda un relación semántica con el facilitador entonces este será reconocido más rápido (facilitación semántica) o más lentamente (interferencia semántica).25 La tarea del participante es decidir si la palabra objetivo está bien escrita (por ejemplo ENFERMERA), o mal escrita (ENHERMERA), dado lo anterior a este tipo de tareas se les denomina de decisión lexical. Diferentes tiempos de reconocimiento se han atribuido a diferentes relaciones semánticas entre conceptos en la memoria humana (relación asociativa: MANTEQUILLA-PAN; categórica: AVE-CANARIO; etc.;24). Una serie de estudios realizados por casi un espacio de 20 años han mostrado consistentemente que pares de palabras seleccionadas por su relación de esquema en la simulación SASO (e.j. ESCRITORIO-EDIFICIO) tienden a tener tiempos de reconocimiento específicos identificando al esquema en cuestión cuando esta está organizando información en el lexicón humano a largo plazo. Este efecto de reconocimiento de palabras que guardan una relación semántica de esquema fue nombrado “facilitación esquemática” y ha sido difundido académicamente por la presente línea de investigación en una diversidad de ocasiones.12, 22, 26-28 En particular en una de las investigaciones realizadas29 se encontró evidencia inicial de que al Fig. 5. Definiciones conceptuales de 10 conceptos centrales al esquema de moral que se analiza. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 31 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. inicio de un curso cuando los estudiantes todavía no aprenden su contenido no es posible encontrar el efecto de facilitación esquemática entre los conceptos centrales del curso, pero si es posible encontrar este efecto al final del curso solo en los estudiantes que sacaron buenas notas. Por ejemplo, en otros estudios de la presente investigación30-31 se llevaron a cabo estudios SASO donde inicialmente se realizó un análisis de redes semánticas naturales sobre 10 conceptos centrales a un curso de desarrollo moral a un grupo de 39 estudiantes (22 hombres y 17 mujeres) de primer y segundo año de preparatoria (entre 16 y 18 años) en un colegio particular de clase media a alta de Monterrey. Este análisis se realizó después del curso. El análisis de RSN arrojó 10 grupos SAM con sus respectivos índices de riqueza de información (J) y densidad semántica (G). Estos son descritos en la figura 5. La pantalla de simulación conexionista Boltzman mostró que al activarse el concepto de “padres” también se activa al máximo el concepto de “policía”. Sin embargo, aún y cuando el concepto “disciplina” está fuertemente asociado a “policía”, este no se activó. Mostrando la existencia de un esquema moral. En general la activación del concepto “policía” ocurrió cada vez que se activó un concepto relacionado a un esquema de desarrollo moral denominado estado heterónimo de desarrollo moral en donde un concepto de autoridad externa al individuo rige normas de conducta moral, esto en oposición al estado de desarrollo moral Autónomo Fig. 6. Solamente el grupo experimental mostro efecto de facilitación esquemática después del curso.31 32 en donde normas de desarrollo moral se rigen por normas internas del individuo. Ahora bien, después de varias simulaciones se obtuvieron pares de palabras fuertemente relacionadas por dicho esquema y se usaron para comparar sus tiempos de reconocimiento antes y después del curso de desarrollo moral en un estudio de facilitación semántica en dos nuevas muestras de estudiantes. Una muestra tomo el curso (experimental) y otra no (control). Como se observa en la figura 6 el efecto de facilitación esquemática es lo suficientemente sensible para detectar el registro que deja la adquisición de nuevo conocimiento en la memoria a largo plazo (lexicón). IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA COMPUTACIONAL DETECTOR DE FACILITACIÓN ESQUEMÁTICA En una tercera etapa de investigación12 implementaron una red neural capaz de identificar cuando un estudiante integra o no en su memoria a largo plazo el nuevo conocimiento a aprender. Dicho sistema computacional evalúa los tiempos de reconocimiento por parte de estudiantes de palabras centrales a un curso. Para lograr esto primero se entrena una red neural (aprendizaje supervisado) a discriminar cuales tiempos de reconocimiento de palabras de un esquema (obtenidos a través de estudios de facilitación semántica tipo SASO) se relacionan a estudiantes que si integran información en su memoria a largo plazo (facilitación esquemática). La figura 7 muestra la idea general de la tarea que la red neural considerada debe tener. En su etapa de entrenamiento a la red neural se le presentan pares de palabras de un estudio de facilitación semántica con sus correspondientes tiempos de reacción (tiempos para pares de palabras asociativas, categóricas, esquemáticas y no relacionadas) y de qué tipo de éxito escolar (facilitación esquemática: Si/No) se trata la instancia. En su etapa de prueba se le presentan solamente la información de tiempos de reconocimiento de pares de palabras de nuevos estudiantes. En el 99% de las 5000 pruebas el sistema acierta en discriminar aquellos alumnos que no integran de los que si integran información en la memoria a largo plazo. Al parecer el efecto de facilitación esquemática es lo suficientemente útil para esta tarea de clasificación. Por otra parte, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. Fig. 7. Se ilustra el concepto de una red neural que tiene como propósito clasificar si se adquiere un esquema basado en la presentación de pares de conceptos y un tiempo de reacción relacionado a dichos pares. lo que más distingue al comportamiento de una red neural de entre varias cosas es su capacidad de identificar y clasificar patrones de comportamiento dentro de la presentación masiva de estímulos. La aproximación SASO hasta aquí señalada pretende introducir una adición innovadora a las plataformas de aprendizaje virtual y presencial para evaluación del aprendizaje de cursos. En particular, esta intención se traduce en el diseño y usabilidad de una interface computacional innovadora de evaluación de aprendizaje en el área de la tecnología Fig. 8. Pantalla principal del sistema evaluador SASO (versión 3). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 educativa. La figura 8 muestra la pantalla inicial que se presenta al activar el sistema. El sistema que se propone está ya en su tercera versión y los prototipos hasta ahora desarrollados han dependido de etapas experimentales del presente estudio. La primera versión pública (libre de costo) se presentara en Agosto del año que viene. Nótese de la pantalla de la interface que el sistema está dividido en dos grandes secciones. Por una parte el menú señala la posibilidad de recibir instrucción sobre un tema específico. También, en el menú se señalan dos opciones para la evaluación de aprendizaje. La figura 9 muestra la idea de uso por parte de un estudiante de la interface en cuestión. La intención del presente proyecto no es la de definir un sistema instruccional en particular. Avances remarcables se han llevado a cabo en este sentido 2, 5, 10 dado el uso de medios de multimedia que facilitan, inducen y favorecen la organización del conocimiento por adquirir. Más bien la contribución del presente proyecto se centra en el problema de la evaluación en línea que este a la par de estos avances. Los menús de la interface mostrados en la figura 9 son capturas reales de la pantalla y estos 33 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. Fig. 9. Se ilustra la tarea que un estudiante tiene que realizar al aprender un tema determinado (a). El sistema detecta el tema seleccionado y no permite la presentación de contenidos hasta que no se tome el estudio de facilitación semántica que contiene el esquema del tema seleccionado. Al terminar, el usuario debe tomar otra vez el estudio de facilitación semántica. muestran en la figura 9b las opciones de evaluación que la aproximación SASO ofrece a un usuario. En particular la figura 10 muestra la pantalla de la interface cuando se necesita un reporte completo sobre los índices de organización conceptual del estudiante que ha intentado aprender un tema. El panel superior derecho de la figura 10b muestra los Fig. 10. Reporte SASO de la organización conceptual que se adquiere durante una sesión de aprendizaje sobre el tema de Piaget. 34 conceptos de relevancia con los que el estudiante después de su aprendizaje empata con los conceptos semánticamente relevantes de un grupo de expertos (maestro). Nótese que el menú también señala la opción “clasificación RSN”. Esta opción solo reporta si la red neural experta detecta si existió en el estudiante un efecto de facilitación esquemática. En dado caso que el estudiante ya presentara dicho efecto antes del estudio, entonces la red neural reporta si ambos efectos son diferentes. En aras de evitar redundancia no se desglosan dichas opciones. Cuando se selecciona la opción de visualización se obtiene una pantalla como la ilustrada en la figura 11. Como ya se ha descrito anteriormente la matriz SASO contiene pesos de asociación entre conceptos calculados por la co-ocurrencia conceptual a través de grupos de definidores SAM en la técnica de redes semánticas naturales. Dichas matrices muestran diferencias de conectividad después de un aprendizaje determinado y la selección de la opción “Graficar Superficie” permite una inspección visual de la distribución de conectividad tal y como se ilustra en la figura 12. La matriz puede ser rotada en 3D por un sistema automático o manualmente con el cursor. Los rangos de valor de asociación entre conceptos pueden ser vistos en 2 o 3 colores. En la figura 12 los valores de la diagonal representan fuerte conectividad entre los conceptos dentro de un grupo SAM mientras que los demás picos de valor señalan comunalidad, esto es, co-ocurrencia conceptual entre grupos SAM. Por su parte, la figura 13 muestra la posibilidad de usar 6 métodos Cluster diferentes así como la consideración de 5 diferentes unidades de distancia Fig. 11. Al activar la opción de visualización es posible trabajar con una matriz SASO que se accede a través de la opción “obtener datos”. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. el sistema que se presenta provee información fuera del alcance de los métodos tradicionales de evaluación. Le permite ahondar en la misma memoria del estudiante. Fig. 12. Visualización de la distribución de pesos de conectividad conceptual en una matriz SASO. conceptual para dar así al menos 25 diferentes formas de visualizar la organización conceptual resultante de un aprendizaje. Ahora bien, dicha flexibilidad de análisis es significativa si y solo si el usuario tiene la capacidad de entender que es lo que dichos métodos de visualización significan en el dominio de la representación mental. Esto demanda en si un nuevo tipo de profesor en el aula escolar. Uno con competencia de la teoría cognitiva de la representación mental. Para dicho profesor, CONCLUSIÓN Los estudios de ciencia cognitiva del aprendizaje conducidos por la presente investigación sugieren que es posible identificar cambios de organización conceptual dado un aprendizaje tal y como se sugiere en la literatura a través de técnicas de redes semánticas. Dichos cambios de organización se deben a una forma diferente de significar un evento que se implícita en el nuevo esquema que se adquiere. Por ejemplo, nuevos patrones de asociación conceptual (comunalidad) emergen para dejar huellas mnemónicas a largo plazo en el lexicón humano. Estos nuevos patrones de organización impactan en una dimensión de tiempo de forma estocástica en la vida cognitiva conceptual de una persona cuando aprende un tema nuevo. Una vez activado un esquema en nuestra memoria, una red neural simulada es capaz de hacer uso de dicho comportamiento para obtener información que permite distinguir a alguien que ha integrado nuevo conocimiento de quien no lo ha hecho. En el Fig. 13. Dendograma de posibles métodos Cluster mostrando distancia conceptual en el esquema de la teoría de Piaget. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 35 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. momento, todavía no se considera que dicho sistema computacional como una herramienta que pueda sustituir otras formas estándares de evaluación del aprendizaje en línea. Sin embargo, conforme la investigación científica empodere los resultados observados, lo más viable en un futuro es actualizar o sustituir dichas formas estándar de evaluación por sistemas que realmente hagan uso de la ciencia computacional vigente y de avances de la ciencia cognitiva del aprendizaje modernos tal y como se mostró en la presente línea de investigación. REFERENCIAS 1. Steinberg, E. R (1991). Computer Assisted Instruction: A synthesis of Theory, Practice and Technology. Hillsdale, New Jersey: Lawrence Erlbaum Associates, Publishers 2. Hale, K. S., Stanney, K. M. (2014). Handbook of virtual environments: Design, implementation and applications. USA. Taylor & Francis: CRC Press. 3 Keppell, M., Souter, K., Riddle, M. (2012). Physical and Virtual learning spaces in higher education. 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SánchezA* A B Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica eduardo.sanchezcv@uanl.edu.mx RESUMEN Con la intención de contribuir al desarrollo de nuevas tecnologías para la energía alternativa, en este trabajo se expone un estudio sobre el desarrollo de redes de nanofibras duales, cuya composición y metodología de formación son estrategias fundamentales para el desarrollo de biopelículas exoelectrogénicas sobre su superficie, lo que favorece el proceso de bioconversión de un sustrato químico a electricidad. Las nanofibras duales favorecen los procesos de transferencia de carga, siendo la nanofibra de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/ C(semi-grafito) la más efectiva. Debido a esto, este tipo de materiales son prometedores para su aplicación como electrodos en dispositivos para el almacenamiento y conversión de energía, de manera particular en celdas de combustible microbianas. PALABRAS CLAVE Nanofibras duales, ánodos, bioelectricidad, celdas de combustible microbianas. ABSTRACT In an effort to contribute to the development and advancement of new technologies in the area of alternative sources of energy, in the present contribution a study on the development of dual nanofibres networks, whose composition and synthesis methodology is fundamental in the growth of exoelectrogenic biofilms on their surface, which favors the bioconversion of a chemical substrate into electricity, is presented. The dual nanofibres promote the electrical charge transfer processes, being the TiO2(ruthile)-C(semi-graphite)/ C(semi-graphite) nanofibres the most effective in this regard. Thus, this type of materials are promising for their application as electrodes in devices for charge storage or energy conversion, particularly in microbian fuel cells. KEYWORDS Dual nanofibres, amode, bioelectricity, microbian fuel cells. 38 Artículo basado el trabajo “Producción de bioelectricidad utilizando fibras duales de TiO2/carbón como electrodo en la celda de combustible microbiana” Premio de Investigación UANL 2014 en el área de Ingeniería y Tecnología. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. INTRODUCCIÓN Problema Energético mundial En la actualidad más de 7 mil millones de personas habitamos nuestro planeta, y para el 2050 se estima que habrá 9.4 mil millones de personas.1 Lo que implica que este consumo energético se incrementara de 524 cuatrillones de BTUs (unidades térmicas) en el 2010 a 630 cuatrillones de BTUs en el 2020, hasta llegar a casi 820 cuatrillones de BTUs en el 2040. El acelerado desarrollo industrial y económico mundial se ha sostenido gracias a los combustibles fósiles, sin embargo en un futuro muy cercano estaremos sufriendo las graves consecuencias de la sobreexplotación de fuentes de energía no renovables y los problemas de contaminación que derivan de su uso, resultando insostenible nuestro desarrollo de esta manera por tiempo indefinido. Para cubrir las demandas en materia de energía de nuestra sociedad, será necesario desarrollar tecnologías alternas que nos permitan obtener beneficios energéticos sin comprometer la calidad de nuestro futuro. México y el desarrollo de energía sustentable Las energías renovables son indispensables para asegurar la sustentabilidad y el cuidado del medio ambiente, así como una mayor independencia energética del país. Es por esto que los temas de investigación y desarrollo en el área de fuentes alternas de energía son de vital importancia para el desarrollo del país, ya que nos permitirán ir mitigando esa falta de capacidad técnica que actualmente se tiene, para poder lograr un mayor aprovechamiento de las fuentes alternas en la generación de energía. Interesados en participar en el desarrollo energético nuestro grupo de investigación pretende impulsar la obtención de energía sustentable a través de la del desarrollo de materiales novedosos que nos permitan obtener energía a través del uso de celdas de combustible microbianas. ¿Qué son las cel das de combusti ble microbianas (MFC´s)? Las celdas de combustible microbianas (MFC, por sus siglas en inglés) son dispositivos electroquímicos, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 los cuales convierten la materia orgánica en energía, en forma de electricidad o hidrógeno y para este propósito utilizan microorganismos como catalizadores.2 Generalmente el proceso de generación de electricidad está acompañado de la biodegradación de un compuesto orgánico o de aguas de desecho,3 por lo que de esta manera el uso de estos dispositivos pueden resolver dos problemas, el relacionado con la obtención de energía limpia y el del manejo sustentable de residuos. ¿Cómo funciona una MFC? Una celda de combustible microbiana está compuesta por dos cámaras, una anódica y otra catódica, divididas entre sí, por una membrana de intercambio protónico. En la figura 1 se presenta un diagrama de una MFC común. Típicamente la cámara anódica es mantenida en condiciones anaerobias, mientras que la cámara catódica debe estar expuesta al aire. Los microorganismos exoelectrógenos oxidan la materia orgánica produciendo energía celular mediante moléculas de adenosín trifosfato (ATP) y electrones que viajan a través de una serie de enzimas respiratorias y logran salir de la célula. Enseguida estos electrones son transferidos hacia el ánodo y posteriormente fluyen hacia el cátodo como resultado del potencial electroquímico que se genera entre el proceso de respiración enzimático y el aceptor de electrones. El flujo de electrones de la cámara anódica a la cámara catódica se lleva a cabo a través de una conexión eléctrica externa. Para conservar la electroneutralidad del sistema, la transferencia de electrones del ánodo al cátodo debe ir acompañada Fig. 1. Celda de combustible microbiana.5 39 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. de un número igual de protones entre estos dos electrodos a través de la membrana de intercambio protónico. Por último la combinación de protones con oxígeno en la cámara catódica produce agua.4 Los electrones y los protones son excretados por los microorganismos gracias a un proceso metabólico desasimilativo de la oxidación de los sustratos orgánicos.6 Una vez que se han liberado los electrones en la cámara anódica estos deben ser transferidos hacia el electrodo anódico, por lo que en este caso el electrodo juega el papel de un aceptor de electrones extracelular. ¿Por qué utilizar una MFC? Las MFC´s ofrecen la posibilidad de extraer alrededor del 90% de los electrones de los compuestos orgánicos y pueden ser auto-sostenibles y autoregenerables. Posteriormente, los microorganismos liberan los electrones de sus células y los transfieren a los electrodos (ánodo) de la celda. El desarrollo de sistemas que involucran bacterias para producir electricidad representan métodos innovadores para la producción de bioenergía. Son tecnologías económicas y sencillas, debido a que cualquier materia orgánica biodegradable se puede utilizar en una MFC. Si la materia orgánica representa un riesgo ambiental, con esta novedosa tecnología es posible oxidarla a una especie inocua; de esta forma no solo resolvemos el problema energético, sino también el del manejo sustentable de residuos.7 Los retos de las MFC´s Como se ha mencionado, la tecnología de las MFC es aún muy reciente, incluso la ciencia del mecanismo de transferencia electrónica del microorganismo al electrodo está en etapa de investigación.8 El motivo principal por el cual estos dispositivos no son una realidad comercial en la actualidad, se debe a sus bajos rendimientos de potencia y esto está en función de la tasa de transferencia de electrones de los microorganismos al ánodo, la resistencia del circuito y la transferencia de masa de protones en el líquido, entre otros factores.9 Uno de los mayores retos a superar para mejorar el rendimiento de estos dispositivos electroquímicos radica en la naturaleza del electrodo anódico, debido a que tiene un rol fundamental en la transferencia electrónica dentro 40 de la MFC. Las características del electrodo como su composición y morfología impactan en la formación de la biopelícula, la transferencia electrónica, la resistencia del sistema y la velocidad de reacción en la superficie del electrodo. La importancia del ánodo en el desempeño de las MFC´s Como se ha discutido con anterioridad, de manera particular el ánodo se relaciona con el crecimiento de las biopelículas sobre su superficie y determina el potencial redox final de los microorganismos debido al flujo de electrones, por lo que es un elemento muy importante en las MFC, debido a su participación directa en el proceso de conversión biocatalítica de un sustrato en electricidad. El electrodo anódico participa particularmente en el metabolismo de los microorganismos debido a que al incrementar la corriente de la MFC, se produce un decremento en el potencial del ánodo y de esta manera los microorganismos se ven forzados a entregar los electrones provenientes de la oxidación de sustratos reducidos.10 Por lo tanto se sabe que el ánodo influye en el metabolismo oxidativo del sustrato. El material del cual está constituido el ánodo y su estructura puede afectar directamente el desarrollo de los microorganismos, la oxidación del sustrato y la transferencia de electrones, por la resistencia interna que limita el desempeño de una MFC.11 Se ha reportado que el material anódico debe presentar una alta conductividad eléctrica, debe contar con una gran área superficial, una buena compatibilidad biológica y debe ser estable químicamente frente a la solución de la cámara anódica.12 Por lo que es muy importante la selección y el desarrollo de los materiales y su morfología. Composición química de los ánodos en MFC El desempeño del ánodo está íntimamente ligado con su composición química, por lo que es un aspecto importante a considerar. Algunos materiales como el TiO2 cuentan con propiedades eléctricas interesantes, debido a que los sitios vacantes de oxígeno que se encuentran en su estructura cristalina, le permiten actuar como un semiconductor eléctrico; además es químicamente estable y biocompatible, lo que permite su aplicación Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. en distintos dispositivos electroquímicos como celdas solares y baterías de ion litio. Por otra parte, se ha empleado la combinación de TiO2/PANI como ánodo en MFC, y se encontró que este material tiene la capacidad de albergar una célualas de E. coli. Con este último acontecimiento queda demostrado que la combinación de TiO2 con PANI resulta un excelente anfitrión para el desarrollo de biopelículas exoelectrogénicas; se conoce que la superficie rugosa del material anódico favorece el desarrollo de pilis y estos contribuyen a la transferencia electrónica extracelular hacia la superficie del ánodo durante la reacción electroquímica, produciendo 1495 mW/m2.13 Por otra parte, el carbón en algunas de sus diferentes formas ha sido ampliamente utilizado como electrodo,14 debido a su alta versatilidad, precio económico y fácil manejo, además de sus interesantes características eléctricas y morfológicas. Se han desarrollado nanofibras carbonáceas a partir de poliacrilonitrilo (PAN) electrohilado, obteniendo materiales con una conductividad eléctrica de 840 Scm-1; se ha reportado que las altas temperaturas de carbonización mejoran el contacto entre las fibras de la red y favorecen la grafitización.15 En los últimos años, el sistema de TiO2-Carbón ha sido el centro de atención de muchas investigaciones, debido a su potencial aplicación como sensor de gas, electrodo en baterías de ion litio, en celdas de combustible, entre otros. La combinación de titanio con carbón, también mejora la conductividad eléctrica del material anódico en una MFC, esto se probó con Li4Ti5O12 con grafeno en una batería de ion litio debido a que el carbón provee al TiO2 un camino para la transferencia de electrones.16 En dispositivos fotocatalíticos también se ha demostrado que los materiales carbonáceos aumentan la eficiencia del TiO2 debido a que actúa como una trampa de electrones y promueve la separación electrónhueco, minimizando la recombinación de cargas y mejorando la conductividad del TiO2. 17 Otro tipo de materiales que han llamado la atención recientemente son los polímeros conductores; la polianilina (PANI) es uno de ellos y tiene potenciales aplicaciones, por ser altamente estable, de fácil preparación, y con propiedades redox comparadas con otros polímeros conductores.18 Las sorprendentes propiedades electrónicas de PANI, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 como la conductividad eléctrica, el bajo potencial de ionización y la alta afinidad electrónica están asociadas con los electrones  que se conjugan en el sistema alternándose entre los enlaces dobles y triples de la cadena polimérica principal.19 Se ha demostrado que PANI tiene la capacidad de aumenta la porosidad de los materiales carbonáceos, debido a que la anilina reacciona con los grupos oxígeno de la superficie del carbono, produciendo importantes cambios en la porosidad del material, de tal manera que adiciones de 6% de PANI pueden producir un aumento en la capacitancia de alrededor de 20% del carbón activado (125 a 148 F/g).20 La presencia de nanotubos de carbón a las películas de PANI obtenidas por oxidación química, produce un incremento en el área superficial del electrodo (50.2 m2g-1); así mismo, esta combinación de materiales mejora la capacidad para la transferencia de carga, lo cual conlleva a un incremento considerable en la actividad electroquímica en la reacción anódica en una MFC.21 Morfología de los ánodos en MFC La morfología del ánodo es otro factor clave a considerar, pues ésta es capaz de eficientizar el flujo de electrones en una MFC. Se ha encontrado que la optimización de estructuras porosas en el electrodo con altas áreas superficiales específicas incrementa la densidad de potencia en las celdas, puesto que soportará una mayor cantidad de microorganismos exoelectrogénicos. 22 En los últimos años los materiales nanoestructurados unidimensionales como las nanofibras, han atraído una gran atención por las geometrías que los distinguen, especialmente su alta relación longitud/ diámetro o área superficial/volumen y sus novedosas propiedades físicas y químicas responsables de sus potenciales aplicaciones como electrodos en una amplia variedad de dispositivos diseñados para la conversión y almacenamiento de energía.23,24 Arquitectura & propiedades funcionales de las nanofibras Cuando las fibras electrohiladas se disponen de manera aleatoria sobre el sustrato colector metálico forman redes tridimensionales con efecto coalescente, y estos puntos de contacto entre 41 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. ellas proveen un camino para la transferencia electrónica en nanofibras de carbono; por lo tanto están directamente relacionados con el aumento o disminución de la conductividad. 25 Además, nuestro grupo de investigación considera que los diseños específicos de nanofibras duales podrían contribuir a mejorar estos puntos de interconexión coalescentes que acabamos de mencionar y esto cobraría aún mayor importancia si las nanofibras individuales que conforman las nanofibras duales tuvieran diferente composición química y distintas propiedades eléctricas, entonces se aumentaría el contacto entre ambas. Se ha demostrado que se pueden obtener nanofibras duales al hacer una modificación a la técnica de electrospinning.26 Las nanofibras duales obtenidas se distinguen por presentar algunas ventajas que han sido probadas en fotocatálisis como: Una máxima exposición de ambas nanofibras en la superficie reduciendo la recombinación de pares electrón-hueco e incrementando la eficiencia cuántica del sistema; altas áreas superficiales; y presentan una morfología que favorece la recuperación del material.27 Estas características también podrían favorecer en gran medida las aplicaciones como ánódo, en MFC´s, al aumentar los puntos de contacto entre ellas, y por lo tanto la conductividad.28 Por lo expuesto anteriormente, nuestro grupo de investigación se interesó en desarrollar materiales anódicos que optimicen el desarrollo de biopelículas exoelectrogénicas sobre su superficie, para eficientizar la conversión de energía de un sustrato bioconvertible en electricidad, al favorecer el flujo electrónico en una MFC, y entonces obtener resultados que reditúen en conocimiento científico de interés para el desarrollo de nuestra sociedad. METODOLOGÍA Síntesis de nanofibras duales electrohiladas de TiO2/C Las nanofibras duales (d-NF) se obtuvieron por la técnica de electrospinning de bicomponente, cuyas condiciones se han reportado en trabajos previos.25 Dos soluciones precursoras distintas (A y B) se expulsaron simultáneamente a través de un spinneret integrado por dos agujas confinadas en una geometría “side-by-side” (figura 2). 42 La solución precursora (A) para las fibras de TiO2PVP-PANI se preparó mezclando una solución polimérica compuesta por PVP:PANI (1:4 molar), disuelta en DMF, y Ti(OiPr)4 disuelta en ácido acético y etanol. Por último, la solución resultante se agitó antes ser electrohilada. La solución precursora (B), para fibras de PAN, se disolvió PAN en DMF a 8 % w/w.26 la caída doble de las soluciones A y B, se expulsaron directamente hacia la placa colectora de aluminio, posteriormente las nanofibras electrohiladas se expusieron al aire a temperatura ambiente y una humedad relativa de 40-60 % para promover la hidrólisis del Ti(OiPr)4. El proceso térmico se llevó a cabo en un horno tubular (Mini -Mite ™). Las nanofibras se calentaron (3°C/min ) desde 20°C a 280°C en aire durante 1 h, posteriormente se calcinaron (5ºC/min) a 425oC durante 1 h con el fin de obtener la fase cristalina de TiO2. Por último, las nanofibras se carbonizaron a 1000ºC durante 1 h, en N2. Caracterización de los materiales La estabilidad térmica de las nanofibras electrohiladas, se determinó con un analizador térmico simultáneo de TGA y DTA (STA6000 PerkinElmer, Inc.) hasta 980°C (15°C/min), en N2. También se utilizó un calorímetro de barrido diferencial (Diamond DSC PerkinElmer, Inc.) con -Al2O3 como referencia, se calentó de temperatura ambiente hasta 500oC (15°C/min), en N 2. La identificación de fases y la determinación de la estructura cristalina se llevó a cabo utilizando un difractómetro de rayos X en polvo (D5000 Siemens) a temperatura ambiente, CuK (=1.5418Å), a 35 kV y 25 A. La intensidad se midió entre 20º y 80º por 1 h. Un primer análisis morfológico y elemental de las nanofibras electrohiladas se realizó con un microscopio electrónico de barrido con emisión de campo, FESEM (FEI NovaNanoSEM200, FEI Company) equipado con un detector EDXS (EDAX). Un estudio detallado sobre la morfología, así como la composición de las nanofibras y sus características estructurales se llevaron a cabo en un microscopio electrónico de transmisión (FEI TEM Titan G2 80300, FEI Company) y un detector EDXS (EDAX). La estabilidad electroquímica de las nanofibras se evaluó mediante voltametría cíclica en un Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. potenciostato/galvanostato (VMP3, Biologic Science Instrument) y un electrodo de referencia de Ag/AgCl en KCl 3 M. El comportamiento electroquímico de las nanofibras se obtuvo mediante espectroscopia de impedancia, en un potenciostato/galvanostato (VMP3, Biologic Science Instrument) con software EC-Lab 10.18 y ZSimWin 3.21. Electrodo de trabajo (EW), Electrodo Auxiliar (EA) de platino y Electrodo de Referencia (ER) de Ag/AgCl en KCl 3 M y K2SO4 0.5 M como electrolito soporte. Las mediciones de corriente se llevaron a cabo en una fuente de voltaje picoamperimetrica (Modelo 6487, Keithley Instruments); aplicando un voltaje desde 0 a 200 V, a temperatura ambiente. Diseño y ensamble de una media celda de combustible microbiana Cultivo y electroactivación de las células de Eschericha coli K-12: Las células de E. coli K-12 (Bio-Rad, S.A.) liofilizadas se activaron anaeróbicamente en una incubadora (1575 ShelLab ®) a 37°C y 200 rpm por 24 h en un medio de cultivo Luria Beltrani, LB a pH 7. Posteriormente las células se inocularon al 20% en un medio de cultivo fresco “Medio Estándar” (MS) compuesto por 10 g/L de glucosa anhidra, 5 g/L de extracto de levadura,10 g/L de NaHCO3, 5 g/L de NaH2PO4, y pH de 7. El cultivo obtenido hasta esta etapa será “E. coli K-12 cultivo original”, este cultivo fue sometido a un proceso de tres electroactivaciones aplicando 0.035 V, 0.045 V y 0.05 V por 15 segundos con un potenciostato/galvanostato (VMP3, Biologic Science Instrument). Para cada electroactivación se montó una celda de doble cámara, separada por un puente salino de KI saturado en medio sólido. En la cámara anódica se colocó el cultivo original suspendido en MS y se utilizó una malla de platino (BAS Bioanalytical Systems Inc.) como electrodo de trabajo (EW); esta cámara se mantuvo en anaerobiosis con N2 cromatográfico estéril. En la cámara catódica se utilizó un electrodo de Cu en espiral de referencia y electrodo auxiliar; el electrolito utilizado fue KCl 0.1 M. Todo se esterilizó previamente y se trabajó bajo condiciones de asepsia. Entre cada electroactivación se inocularon las células electroactivadas al 10 % en un medio fresco MS y el cultivo resultante se mantuvo anaeróbicamente en incubación (311DS, Labnet International Inc.) a Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 33°C por 24 h; posteriormente se centrifugó a una velocidad de 2000 rpm, y una temperatura de 4°C por 15 min, para formar un pellet de inóculo para la posterior electroactivación. Este procedimiento se reprodujo hasta la tercera electroactivación, en donde se obtuvieron las células electroactivadas con 0.05 V a la que llamaremos “E. coli K-12 electroactivada”. Desarrollo de la biopelícula sobre las nanofibras duales: Las nanofibras duales se sumergieron en una suspensión celular de E. coli K-12 electroactivada en un medio estándar. Se mantuvo el sistema anaerobio y en incubación estática a 37°C por 15 días, el medio se remplazó cada 24 h por un medio estándar fresco, para asegurar la viabilidad de las células y el desarrollo de la biopelícula sobre el sustrato. Desempeño de las nanofibras como ánodo en una MFC Para evaluar el desempeño las nanofibras duales de TiO2-Carbón/Carbón como ánodo en una celda de combustible microbiana, se utilizó un sistema de media celda de combustible con tres electrodos. El electrodo de trabajo (EW) se compuso de las nanofibras duales de TiO2-Carbón/Carbón soportando una biopelícula de la bacteria Escherichia coli K12 (Biorad) electroactivada, tercera generación; se utilizó también un electrodo de Ag/AgCl en una solución de KCl 3 M como electrodo de referencia (ER) y un alambre de Pt en forma de espiral como electrodo auxiliar (EA). La solución anódica consistió de una solución de glucosa 11 mM como fuente de carbono en un buffer de fosfatos 50 mM. Además, se añadió azul de metileno en una concentración de 23.7 mM, como intermediario electrónico. Los experimentos se llevaron a cabo con un potenciostato/galvanostato (VMP3, Biologic Science Instrument) y se realizaron mediciones cronoamperométricas aplicando un potencial de 0.2V (vs Ag/AgCl) sobre el electrodo de trabajo, y se midió la señal de corriente generada. Todas las operaciones experimentales se llevaron anaeróbicamente, a una temperatura de 25°C. RESULTADOS En esta sección de resultados se analiza rigurosamente la obtención y el comportamiento de las nanofibras duales de Ti(OiPr)4-PANI-PVP/ 43 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. Fig. 2. Spinnerets diseñados para la obtención de nanofibras sencillas, duales y coaxiales. a) spinneret sencillo; b) spinneret dual. PAN, la información de los otros materiales es complementaria y contribuye con el sustento de los resultados del material principal. Las nanofibras duales de Ti(OiPr)4-PANI-PVP/PAN se representan de esta manera para indicar que es el material tal como fue electrohilado, una vez sometido a un proceso térmico particular nos referiremos a este de manera general como TiO2-Carbón/Carbón. Al hacer modificaciones en los spinnerets utilizados en el equipo de electrospinning, se electrohilaron redes de nanofibras con diferentes arquitecturas. Como se muestra en la figura 2 con los dos spinnerets utilizados se lograron obtener redes compuestas por nanofibras sencillas y duales al aplicar una diferencia de potencial entre los electrodos del equipo de electrospinning de 20 y 25 kV respectivamente. En la figura 3 se muestran los resultados del análisis morfológico obtenido por SEM de las redes Fig. 3. Micrografías obtenidas por FESEM de las nanofibras tal y como fueron electrohiladas. a) nanofibras sencillas de Ti(OiPr)4-PVP; b) nanofibras sencillas de Ti(OiPr)4-PANI-PVP; c) y d) nanofibras duales de Ti(OiPr)4-PANI-PVP/PAN. 44 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. de nanofibras electrohiladas (as-electrospun), estas imágenes confirman la presencia de nanoestructuras tipo fibras que se interconectaron y producto de estas interconexiones formaron una red no tejida “mat non-woven”. Las figuras 2c y 2d corresponden a la nanofibra dual, en la cual una de las nanofibras individuales se electrohiló a partir de la solución precursora A, mientras que la otra nanofibra individual se electrohiló de manera simultánea a partir de la solución precursora B. Lo anterior indica que los chorros paralelos de las dos soluciones viajaron juntos hacia la placa colectora para formar la red no tejida de nanofibras duales durante el proceso de electrospinning. Las fibras individuales que conforman la nanofibra dual presentan diferencias morfológicas, debido a que una de ellas presenta rugosidad. En la figura 4, se presentan las micrografías para las nanofibras carbonizadas, en ellas podemos observar que se conservó la uniformidad en las fibras y no se apreciaron inestabilidades axisimétricas29 en sus morfologías. Después del proceso de carbonización los diámetros disminuyeron notablemente; las nanofibras sencillas TiO2-C(PVP) cambiaron de 210 nm a 90 nm, las nanofibras sencillas TiO2C(PANI+PVP) cambiaron de 200 nm a 110 nm y las nanofibras duales TiO2-C(PANI+PVP)/C(PAN) cambiaron de 500 nm a 120 nm. A partir de ahora todos los resultados expuestos para las nanofibras sencillas serán referidos únicamente a las nanofibras sencillas que contienen PANI, por lo que las nanofibras serán solamente representadas como TiO2-C, mientras las duales como TiO2-C/C. Se realizó un análisis morfológico y cristalográfico a las nanofibras duales de TiO2-C/C calcinadas hasta 1000°C durante 3 h en atmósfera inerte por TEM en bright field. Al incrementar la temperatura Fig. 4. Micrografías de las nanofibras carbonizadas obtenidas por FESEM. a) nanofibras sencillas de TiO 2-C(PVP); b) nanofibras sencillas de TiO2-C(PANI)-C(PVP); c) nanofibras duales de TiO 2-C(PANI+PVP)/C(PAN). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 45 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. Fig. 5.Imágenes de fragmentos de las fibras individuales que conforman las nanofibras duales de TiO 2(rutilo)-C(semi-grafito)/ C(semi-grafito) calcinadas a 1000°C por 3h en atmósfera inerte. a) y b) nanofibra individual de TiO 2 embebida en una matriz de carbón. c) nanofibra individual de carbón; d) patrón de SAED de la nanofibra individual de TiO2. pudimos observar mediante HRTEM que las estructuras carbonáceas de las nanofibras individuales provenientes de PAN incrementaron el ordenamiento de sus átomos, tal y como se muestra en la figura 5b. Por otra parte la nanofibra individual policristalina también sufrió cambios; al realizar estudios de SAED pudimos corroborar en el patrón de difracción que se muestra en la figura 5d la presencia puntos correspondientes a TiO2 en su fase rutilo puro con estructura tetragonal, mediante la identificación de las distancias interplanares relacionadas con las familias de planos {110}, {200}, {111}, {211} y {220} (JCPDS # 21-1276). Al observar la imagen de la figura 5a pudimos constatar la presencia de cristales embebidos en una matriz de carbón, en estas nuevas estructuras la matriz de carbón proveniente de PANI y PVP presenta cierto ordenamiento atómico, y esta evidencia se presenta en la imagen de la figura 5b. De manera general podemos afirmar que el ordenamiento de las estructuras carbonáceas se ve favorecido al incrementar la temperatura de calcinado. Sin embargo, el ordenamiento atómico no fue lo suficientemente alto como el de las estructuras grafíticas, debido a que no aparecieron puntos de difracción en el patrón de SAED. Para la obtención de nanoestructuras de carbón con ordenamiento grafítico es necesario calentar la muestra hasta alrededor de 3000 oC en vacío; sin embargo, bajo estas condiciones el resto de los componentes de las nanofibras duales puede presentar inestabilidades. Los cambios en la composición del material se analizaron por EDXS y los resultados se muestran en la figura 6 en donde es posible apreciar la micrografía adquirida mediante HAADF-STEM de las nanofibras duales, la línea roja indica la región de la muestra que se estudió durante el análisis de 46 Fig. 6. Micrografía HAADF-STEM de nanofibras dual de TiO2(anatasa&rutilo)-C/C calcinada hasta 550°C; Incerto: Perfil de escaneo lineal de EDXS mostrando la variación en composición a través de la línea roja sobre la muestra de la imagen HAADF-STEM. escaneo lineal; mientras tanto, el espectro obtenido se muestra en en el incerto. El espectro resultante señala que una de las nanofibras, específicamente aquella cuya morfología es policristalina, presenta señales claras de la presencia de Ti y O, sugiriendo así un alto contenido de TiO2, mientras la otra nanofibra muestra solamente una clara señal de carbón, lo que a su vez sugiere un alto contenido de carbón en su composición. Los detalles cristalográficos fueron corroborados por DRX. Los patrones obtenidos se muestran en la figura 7 y los resultados presentados desatacan la importancia del proceso de hidrólisis de Ti(OiPr)4 antes del procesamiento térmico, para promover la cristalización posterior del TiO2. En la figura 6 es Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. Fig. 7. Patrones de difracción de rayos X de nanofibras duales obtenidas por un proceso de electrospinning y calentadas a diferentes temperaturas. a) a 425°C sin tratamiento previo de hidrólisis; b) a 425°C; c) a 550°C; d) a 700°C y e) a 1000°C con tratamiento de hidrólisis. posible apreciar los patrones de difracción de Rayos X tanto para las nanofibras duales no hidrolizadas e hidrolizadas; estas últimas al ser calentadas hasta 425°C en atmósfera de aire presentaron las reflexiones características del TiO2 en su fase anatasa ((JCPDS # 21-1272). Posterior al desarrollo de los cristales de anatasa, las nanofibras duales se trataron térmicamente hasta tres diferentes temperaturas en atmósfera de nitrógeno. Al calentar hasta 550 oC se pudieron observar reflexiones que corresponden a la fase rutilo de TiO2 (JCPDS # 21-1276), así mismo se presentaron reflexiones de la fase anatasa (JCPDS # 21-1272). Sin embargo las nanofibras duales carbonizadas hasta 700 oC y 1000 oC solo mostraron reflexiones características de una fase pura de TiO2 rutilo (JCPDS # 21-1276), corroborando lo observado por SAED. En la etapa de calcinado en atmósfera inerte, además de obtener estructuras carbonáceas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 (provenientes en su mayoría del PAN) como parte de la composición de las nanofibras, conduce también a la transición de fase del polimorfo anatasa del TiO2 a su polimorfo rutilo, mismo proceso que transcurre de manera irreversible. A medida que la temperatura de carbonización se incrementó, las reflexiones del TiO2 en su fase anatasa, se desaparecieron, y por consiguiente aparecieron las reflexiones de la fase rutilo. La transición completa de fase se logró hasta los 700°C en las nanofibras duales, mismas que contenían carbón en sus estructuras. El carbón proveniente de los polímeros precursores cuenta con una estructura molecular extremadamente orientada30 pero no lo suficiente como para difractar. En la figura 8 se muestran las gráficas de Nyquist representando la impedancia de los cuatro sistemas estudiados al aplicar un potencial catódico de perturbación de -0.1V. Para elucidar los procesos que se llevan a cabo en las redes de nanofibras sencillas de TiO2(rutilo)-C(amorfo), duales de TiO2(anatasa&rutilo)-C(amorfo)/C(amorfo), y duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(grafito) además de los diagramas de Nyquist, nos apoyamos en los diagramas de Bode correspondientes. Fig. 8. Gráfico de Nyquist representando la impedancia para varios sistemas electroquímicos con EW: las redes de nanofibras sencillas de TiO2(rutilo)-C(amorfo), duales de TiO2(anatasa&rutilo)-C(amorfo)/C(amorfo), TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semigrafito) y TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(Grafítico); EA: Pt(s); y ER: Ag/AgCl en KCl 3 M y un electrolito soporte de K2SO4 0.5 M. Bajo un potencial de -0.1V. 47 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. A través de un proceso de simulación de datos (Software ZSimpWin 3.21) y mediante el ajuste de los datos de los diagramas de Nyquist para impedancia se estimaron los circuitos equivalentes para describir el comportamiento electrónico de las redes de nanofibras. El comportamiento electroquímico de las nanofibras sencillas de C(semi-grafito) puede ser representado por el circuito equivalente Rs(RctQdl)Qps, donde Rs es la resistencia interna y Rct es la resistencia a la transferencia de carga. Los elementos de fase constante Q son usados para establecer una relación con la alta área superficial, donde Qdl es interpretado como la capacitancia de la doble capa y Qps como un elemento pseudocapacitivo. Para las nanofibras sencillas TiO2(rutilo)-C(amorfo) y las duales TiO2(anatasa&rutilo)C(amorfo)/C(amorfo) se usó un mismo circuito equivalente R s (R ct Q dl ). El valor de R ct calculado para las nanofibras sencillas de C(semi-grafito) es tan solo de 19 , un valor bajo comparado con la resistencia a la transferencia de carga de 7800 para las nanofibras sencillas de TiO2(rutilo)-C(amorfo), confirmando que en este último material hay una baja cantidad de cargas eléctricas disponibles en el TiO2. La presencia de altas cantidades de C(amorfo) en las nanofibras duales TiO2(anatasa&rutilo)-C(amorfo)/C(amorfo) reduce el valor de Rct hasta 1490 , sugiriendo de esta forma que las cargas eléctricas son provistas por el carbón. El modelo más adecuado de circuito equivalente que puede representar el comportamiento electroquímico de las nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito) es el Rs(Qdl(RctW))Qps, éste presenta un elemento de difusión representado por el elemento de impedancia Warburg (W) para considerar los posibles eventos faradáicos que se pueden presentar debido a la mayor conductividad de las estructuras carbonáceas semi-grafíticas. La resistencia a la transferencia de carga en estos materiales fue de 3.1, lo que indica una Buena contribución de las estructuras semi-grafíticas en la disponibilidad de portadores de carga electrónicos. Lo anterior mejora la promoción de las especies electroactivas en la interfase entre el electrolito y la superficie de las nanofibras duales TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito). Aquí se resalta la reducción en el valor de la Rct en las nanofibras que contienen Csg en su estructura, destacando que las nanofibras duales, aquellas que contienen TiO2 son las que permiten una mayor difusión de los portadores de carga. 48 Los datos de conductividad obtenidos a partir de la prueba de dos puntas nos indican que las redes de nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito) presentaron un valor de conductividad de 4.75x10-2 S a temperatura ambiente, valor superior a 4.2x10-8 S y 3.5x10-8 S obtenidos para las nanofibras sencillas de TiO2(rutilo)-C(amorfo) y duales de TiO2(anatasa&rutilo)-C(amorfo)/ C(amorfo), respectivamente. Es ampliamente conocido que en los materiales de tamaño nanométrico ocurre una conducción eléctrica anómala cuya relevancia se pone de manifiesto en el desempeño de los dispositivos para el almacenamiento y conversión de energía.31,32 Lo anterior nos guía en la razón por la cual las redes de nanofibras de TiO2(rutilo)-C (semi-grafito)/C (semi-grafito) presentaron la menor de las impedancias, esto no solo por el hecho de que sus estructuras carbonáceas estuvieran parcialmente ordenadas, sino también por su tamaño nanométrico. Otro aspecto interesante de estos resultados es el hecho de que estas redes de nanofibras contenían en su composición la fase rutilo del TiO2. La presencia de esta fase cristalina en contacto con estructuras de carbón semi-grafíticas contribuyeron a la obtención de estos resultados.33 En la figura 9 es posible apreciar la formación de la biopelícula de E. coli K12 electroactivadas de la tercera generación, sobre las redes de nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito); de esta manera queda demostrado que estas redes de bicomponente con arquitectura dual tiene la capacidad para el crecimiento de biopelículas con una alta densidad celular sobre su superficie. Así mismo se manifestó la biocompatibilidad de estos nuevos materiales con estas células bacterianas. La curva de densidad de corriente obtenida del ánodo probado en una media celda de combustible microbiana se muestra en la figura 10. La máxima densidad de corriente obtenida fue de 8 A/m3 después de un periodo de aclimatación de 4.5 h. Realizar un análisis comparativo de nuestro resultado con los obtenidos por otros investigadores resulta complicado debido a que la eficiencia depende de muchos factores. Sin embargo, podemos mencionar que el valor de densidad de corriente obtenido es superior a lo reportado por Lanas, V. and Logan, B.E., quienes lograron una densidad de corriente máxima de 4 A/m2 utilizando fibra de grafito como Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. Fig. 9. Micrografías obtenidas por SEM de la biopelícula de E. coli K12 electroactivada, 3ra. Generación, sobre redes de nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito). Fig. 10. Curva cronoamperométrica de la generación biocatalítica de corriente usando nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito) como ánodo. ánodo.34 Los resultados presentados en este trabajo representan el primer estudio en el que se aplica una red de nanofibras duales de TiO2(rutile)-C(semigraphitic) /C (semi-graphitic), como electrodo anódico para una MFC. CONCLUSIONES Con una modificación al spinneret convencional, que involucra el cambiar de una punta capilar metálica plana a dos puntas paralelas unidas tipo “side-by-side” es posible obtener nanofibras duales, que a su vez están conformadas por nanofibras sencillas, cuya composición individual es diferente entre ellas. Esta configuración de nanofibras duales de bicomponente asegura un buen contacto entre las nanofibras individuales de TiO2-Carbón y las nanofibras de carbón, ambas obtenidas en un solo paso de síntesis y de manera in-situ, lo cual conlleva Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 a una optimización del tiempo en el proceso. Las nanofibras duales favorecen los procesos de transferencia de carga, sobre las nanofibras sencillas; siendo la nanofibra de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito) la más efectiva para ese propósito; además de ser biocompatibles, estos materiales tienen la capacidad para ser empleados como sustrato del desarrollo de biopelículas de E. coli K12 sobre su superficie y producen una densidad de corriente de 8 A/m2 al ser utilizados como ánodo en una media celda de combustible microbiana. Por lo anterior, es posible que este tipo de materiales, como las nanofibras duales de TiO2 y carbón sean prometedoras para su aplicación como ánodos en celdas de combustible microbianas, no solo por su morfología nanométrica unidimensional, sino porque se favorece el flujo de los electrones entre los dos materiales a esas dimensiones. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, a la Secretaría de Educación Pública y a la Secretaría de Energía por los proyectos SEP-CONACyT 151587 y SENER-CONACyT 150111. Así mismo se reconoce el apoyo de la Universidad Autónoma de Nuevo León por medio del Programa de Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica. NAGG agradece el apoyo a CONACyT por la beca otorgada. REFERENCIAS 1. Lewis NS y Nocera DG. Powering the planet: chemical challenges in solar energy utilization. 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Bioresource Technology. 2013, 148, 379–85. 51 �Real time coordination of directional overcurrent relays by ACO Meng Yen Shih, Arturo Conde Enríquez UANL-FIME con_de@yahoo.com RESUMEN La coordinación de relevadores direccionales de sobrecorriente se estudia comúnmente en base a una topología fija en un sistema eléctrico de potencia interconectado dada su complejidad y no linealidad, la coordinación se formula como un problema de optimización. Los sistemas de distribución suelen sufrir consecuencias debido a los cambios dinámicos de topología de red y la operación de elementos. Dichos cambios son entradas y salidas de generadores, líneas y cargas. Las consecuencias son la reducción de sensibilidad y selectividad de relevadores. El objetivo principal de este trabajo es el coordinar los relevadores de sobrecorriente en tiempo real. El objetivo secundario es presentar la formulación de un algoritmo de colonia de hormiga y una comparación de la misma con el algoritmo genético. Los objetivos fueron cumplidos a través del desarrollo de un algoritmo en tiempo real que ha funcionado en conjunto con los algoritmos de optimización. PALABRAS CLAVE Relé de coordinación de sobrecorriente, dinàmica de sistemas de potencia, dinàmica de topologías de red, algoritmo genético, algoritmo de colonia de hormigas. ABSTRACT The coordination of directional overcurrent relays is most commonly studied based on a fixed network topology within a mesh power system. Due to its complexity and nonlinearity, the coordination is formulated as an optimization problem. Distribution systems often suffer consequences due to the dynamic changes of network topology and operation of elements. Such changes are inputs and outputs of generators, lines and loads. The consequences are reduction of sensitivity and selectivity of relays. The principal objective of this paper is to coordinate the directional overcurrent relays on a real time basis. The secondary objective is to present the formulation of ant colony algorithm and a comparison of it with the genetic algorithm. The objectives were accomplished through the development of a real time algorithm which worked alongside with the optimization algorithms. KEYWORDS Overcurrent relay coordination, power system dynamics, dynamic network topologies, genetic algorithm, ant colony algorithm. 52 Artículo basado el trabajo “Real time coordination of overcurrent relays by means of optimization algorithm”, Premio a la Mejor Tesis de Maestría UANL 2014 en el área de Ingeniería y Tecnología y Arquitectura. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. INTRODUCCIÓN The fundamental objective of a protective relay is to detect and isolate the faulted element as soon as possible, so that the impact to the rest of the system is minimized, leaving intact as many non-faulted elements as possible. As different protections are used in different voltage levels of the power system, the directional overcurrent relays (DOCRs) are widely implemented in the sub-transmission and distribution systems due to their competing costs. The purpose of coordinating the DOCRs is to encounter settings that minimize the operation time for faults within the protective zone, while at the same time offering pre-specified timed backup for relays that are in the adjacent zones. Two settings (degrees of freedom) were considered: “dial” which is also known as timedial setting and “k” which is the security factor that multiplies with the load current in order to obtain the pickup current setting. Although DOCRs have nonlinear characteristic curves (nonlinear function), the coordination is carried out as a linear problem. This is because the coordination of a pair of relays is performed based on one point, which is the maximum coordination current of the pair of relays. Therefore, the relays guarantee coordination at this point; however, there may be a loss of coordination for faults that are located far from this point. Over the past decades, manual coordination of DOCRs has been the most common practice performed by protection experts. However, due to its complexity and nonlinearity, manual coordination has been formulated as an optimization problem. Several optimization methods have been proposed to attack this problem. Coordination of DOCRs in the frame of deterministic optimization theory using linear programming (LP) was an approach first reported in 1988. The problem was presented as a linear function in which dials were computed for given values of pickup currents.1 LP was then studied more for this problem due to its simplicity.2, 3 Heuristic methods, such as the genetic algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO) 4 of the artificial intelligence (AI) family have quickly gained popularity in solving coordination problems.5-8 GA has been frequently reported in different literatures due to its simplicity, robustness and easy implementation. This algorithm is based Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 on the evolutionary ideas of natural selection of genes which consist of selection, reproduction and mutation. In this case, the problem was presented as a nonlinear function in which both the dial and the pickup current parameters were computed. Recently, hybrid methods have also arisen in solving coordination problem. Their main attractions are the reduction of search space, execution time and the number of iterations required in encountering the solution. The hybrid GA and mixed PSO are newly developed methods that are combined with LP, in which their search space are drastically reduced by encoding only the pickup currents as input variable strings, leaving the dials as task for LP to solve.9, 10 In other words, these hybrid methods solve coordination problems by the linearization of the relay function. Although DOCRs are the simplest and cheapest, they are the most difficult to apply and the fastest to need re-setting as system changes. Coincidentally, they are mostly implemented in the distribution network, which is the most dynamic part of the whole power system. Consequently, these dynamic changes affect their sensitivity and selectivity, which cause inappropriate operations. However, due to the fact that DOCRs need to meet the fundamental requirements of sensitivity, selectivity, reliability and speed,11 coordination on a real time basis is proposed in this paper. Coordination of DOCRs considering different network topologies has been reported in different occasions.9, 12, 13 A set of relay settings are encountered which will satisfy the coordination constraints of different cases of the network topology. On the other hand, the real time coordination proposed in this paper is not to find a set of relay settings that will satisfy the coordination constraints of different cases of the network topology, but to re-coordinate all DOCRs for every change of network topology. The advantages by doing so are minimum relay operation time, increment of sensitivity, and the ability to withstand another unknown contingency. Moreover, the idea is to coordinate DOCRs online, which as a result enhances in meeting the fundamental requirements mentioned above. The developed real time algorithm first updates data from the latest changes of the system, and then 53 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. computes load flow and fault analysis in order to obtain input data for the optimization algorithms. In this paper, ant colony optimization (ACO) and GA were selected to work hand in hand with the real time algorithm. ACO has lately been used for the study of reactive power flow planning,14 power flow economic dispatch,15 and power generation scheduling.16 ACO has reported to be a powerful tool in solving complex problems in different areas.17 The advantage of this algorithm compared to GA is the role of global memory played by pheromone matrix, which leads to better and faster solution convergence. Hence, the idea to formulate the coordination problem using ACO is original. GA, which is widely known in the coordination area, is used as the comparison reference. In addition, GA is improved and selected due to its simplicity, robustness and easy implementation. F O R M U L AT I O N O F T H E R E A L T I M E COORDINATION As presented in the previous section, the coordination of DOCRs on a real time basis enhances meeting the fundamental requirements of sensitivity, selectivity, reliability and speed.11 Therefore, the real time coordination algorithm and the formulation of coordination problem are presented sequentially. Real time coordination The flow diagram of real time coordination of DOCRs is presented in figure 1. Fig. 1. Real time coordination flow diagram. 54 The real time algorithm is a very important segment of this paper, as presented in figure 1. It consists of collecting data of the latest elements and network changes, from which input data for posterior relay coordination are computed. The online update hardware system is assumed to have already been manufactured; the hardware requires only the installation of an appropriate real time algorithm. The GA and the ACO presented in figure 1 are for comparison purpose only. The detailed description of the algorithm is as follows: first, the system’s data is updated according to elements and network changes. Then, the Ybus is constructed or modified from the obtained data using the Incident method and the inverse of Inspection method. Next, both lists of “Relay Names” and “Coordination Pairs” are generated automatically. After that, the load flow analysis is run using the Newton Raphson or another method. Then, the Zbus is constructed or modified by the Block construction method and Partial Inversion Motto. Finally, fault analysis is run using Thevenin’s method or Symmetrical Components.18 When all of the above are done, the algorithm will have defined the coordination pairs and computed the maximum load currents and fault currents (3-ph principal, 3-ph backup, 2-ph backup, 1-ph) of each relay for the optimization algorithms of the original network topology. However, to ensure that relay settings obtained from the posterior coordination algorithm are suitable for at least one element output without coordination loss, the maximum load and fault currents must be computed according to the different n-1 contingency topologies. All elements are taken out one at a time and the simulation is carried out over and over again for the different n-1 contingency topologies. Only the maximum load and fault currents are stored as data for coordination use. Finally, this algorithm performs a sensitivity filtration before passing the data to the optimization algorithms which coordinate the overcurrent relays. This step ensures that all coordination pairs can be coordinated. The coordination pairs that do not satisfy the requirement of sensitivity analysis will be omitted from the coordination process. In this way, the optimization algorithms will not spend extra time on trying to find settings for these insensitive pairs of relays, which have no settings that will suit them. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. Formulation of Coordination Problem Objective Function: The purpose of formulating the coordination of DOCRs as an optimization problem is to minimize the principal and backup operation time of relays while maintaining selectivity. It is of great importance to establish a good objective function that evaluates the fitness of the settings because this is the key to encounter optimum solutions using optimization algorithms. The fitness is given in (1): Ipickup is the relay pickup current found within its maximum Ipickupmax and minimum Ipickupmin range. (1) (5) where h1, h2 and h3 are factors that increase or decrease the influence of each sub-objective function and will do for any other system, NCP is the number of coordination pairs, tprimarya is the primary operation time of relay a, tbackupb is the backup operation time of relay b, and ECTIL is the CTI error of L-th coordination pair. Where t is the relay operation time, Isc3φmax is the maximum 3-ph short circuit current, Ipickup is the pickup current, dial is the relay dial setting, and A,B,n are constants of the IEEE standard. The IEEE constants of DOCRs are shown in table I. These are the conventional curves: moderate inverse (MI), very inverse (VI) and extremely inverse (EI). The IEEE VI curve is used in this paper, but other curves such as the IEC standard can be used as well. Primary and Backup Relay Constraints: To coordinate the relays, there must be a time difference between the primary and backup relay. This time difference is called coordination time interval (CTI). In this way, whenever the primary relay fails to extinct a fault, the backup relay enters and tries to extinct the fault after a pre-specified delay. It is normally between 0.2 and 0.5 seconds, but 0.3 seconds is used in this paper. The coordination constraint for every coordination pair is given in (2): (2) where CTIL is the CTI of the L-th coordination pair, tprimay is the primary operation time, tbackup is the backup operation time. There is also a range for each relay setting, from which feasible solutions are encountered. This is given in (3) and (4): (3) (4) where dial is the relay dial setting found within its maximum dialmax and minimum dialmin range. And Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 Relay Characteristic Curve: The relays function according to the relay characteristic curve (inverse time curve). This inverse time curve operates with less time as fault magnitude raises and more time as fault magnitude drops. IEEE standard norm C37.112-1996 is used in this paper and is given in (5): Table I. IEEE Relay Parameters. Norm IEEE Curve type A B n Moderate 0.0515 inverse 0.114 0.02 Extremely 28.2 inverse 0.491 2 0.1267 2 V e r inverse y 19.61 IMPROVED GENETIC ALGORITHM The GA is a simple and robust algorithm that has gained popularity over the past decades. It performs a heuristic search based on evolutionary ideas of natural selection of genes. A population of search space containing sets of feasible solutions (chromosomes) is created. Decision variables (dial, k) are encoded as genes into the chromosome strings. Then, genes are evaluated, penalized, ranked and selected according to their fitness value of the objective function. After that, principles of genetic evolution (crossover, mutation) are applied, and the 55 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. new population is formed. The whole process is repeated until the stopping criterion is met. The population size indicates how many chromosomes are in the population (in one generation). If there are too few chromosomes, the algorithm will have few possibilities to perform crossover and only a small part of the search space is explored. On the other hand, if there are too many chromosomes, the algorithm will explore more variety of feasible solutions, but the execution time is excessively increased. The population is as shown in (6): (6) where NC is the number of chromosomes and NR number of relays. The population size is the number of chromosomes multiplied by the number of relays times two (NC,NR*2). Although chromosomes can be encoded as binary strings, both dial and k parameters are encoded as continuous integer strings in this paper. Because GA is a well known algorithm in the coordination area, penalization, ranking and genetic operators such as selection, reproduction, mutation are not presented. Steps of Protection Coordination using Genetic Algorithm Detailed steps of the GA performed in this paper are presented as followed: Randomly generate the initial population of n chromosomes, in which each gene is a possible solution to the problem. Genes must be found within the specified ranges introduced in (3) and (4). Compute the primary and backup time of each relay according to each chromosome. Evaluate the fitness f(x) of each chromosome x in the population. Creating a new population in each iteration: Selection: select parent chromosomes from the population according to their fitness by performing roulette wheel, rank and elitism. Reproduction: use a crossover probability to 56 crossover the parents to form a new child or children. Perform non-uniform crossover. Mutation: use a mutation percentage to mutate the genes of the chromosomes. Perform non-uniform mutation at the first stages of the algorithm, then perform intelligent mutation at the posterior stages. New Population: place the results of reproduction, mutation (new children) and elitism in the new population. Execute the algorithm again using the new population. Terminate the algorithm if stopping criteria is met, otherwise, repeat steps 2 to 5. The improvement of GA here is the addition of intelligent mutation. This is performed at posterior stages of the algorithm. It consists of detecting coordination pairs that are not coordinated, and mutating only the settings of those relays leaving the coordinated pairs untouched. As intelligent mutation was incorporated into the algorithm, numerous chromosomes and iterations are no longer necessary. This was a very successful improvement of this particular coordination problem because the objective function results in all coordination pairs being coordinated most of the time. The solution reported here may not be the global optimum, but it is excusable because coordination is performed on a real time basis. ANT COLONY OPTIMIZATION The ACO algorithm is part of the swarm intelligence computing, it is a meta-heuristic optimization aiming to search for an optimal path in a graph, based on the behavior of ants seeking a path between their home colony and food source. Real ants are capable of finding the shortest path between their home colony and the food source using only information of chemical deposits called pheromone trails. Ants walk on pheromone trails deposited previously be other ants, while at the same time depositing pheromone trails on the ground for future ants to follow. The pheromone trails are volatile over time. When an ant comes across more than one pheromone trail, it selects the most intense trail to follow according to the transition rule. The intensity of a pheromone trail deposited on a route Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. depends on the number of ants traveled on it and the amount of food found through it. This biological behavior inspired the ACO algorithm, in which a set of artificial ant agents adopt the behavior of real ants in solving a problem by exchanging information via pheromones deposited on a graph. Nomenclature Ant agents are a number of artificial ants that build solutions to an optimization problem and exchange information on their quality through a communication scheme that is reminiscent of the one adopted by real ants.17 The AS-graph (search space) is a matrix that contains discrete settings (states) of the control variables (stages).14 In other words, this graph or matrix contains the set of feasible solutions to the optimization problem, which will be explored by the ant agents. Another matrix, called the pheromone matrix, is created to represent the attractiveness of each discrete setting. The Pheromone matrix is a matrix that contains information about the chemical pheromone deposited by ants. The matrix shows the pheromone intensity of each discrete setting, therefore describing the attractiveness of every possible route to the solution. The more intense a setting is, the more probability it has to be chosen by an ant agent as part of the solution. The Transition rule is the probabilistic and stochastic mechanism that ant agents use to evaluate the pheromone intensity in order to decide which point is the most attractive to visit next. The Pheromone update is the process in which pheromone intensities are increased or decreased according to the evaluated results, regardless of whether the settings lead to good or bad solutions. This is achieved by decreasing the pheromone values through pheromone evaporation and increasing the pheromone levels by depositing more pheromone if it is a set of good solution. The algorithm is started with many sets of solutions (states); together, all the states form the ASgraph search space. This AS-graph is held constant throughout the whole searching process; therefore it does not change from iteration to iteration. On the Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 other hand, pheromone matrix is a representation of attractiveness of each discrete setting (edge) that does change not only in all iterations but in every ant tour. The settings that fit well will consequently lead the ant agents to deposit more and more pheromone until all ants converge on this route (set of settings). In this way, the optimal solution is found. The whole process is repeated until the stopping criterion is met. The AS-graph size indicates how many states are in the AS-graph. If there are too few states, the algorithm will have fewer possibilities to obtain the optimal solution to the problem, and only a small part of the search space is explored. On the other hand, if there are too many states, the algorithm increases the possibility to encounter the optimal solution, but it drastically slow down the whole process. Formulation of Ant Colony Optimization 1) AS-graph: The size of the AS-graph is a (m,n*NR) matrix where m represents number of states, n number of stages and NR number of relays. For example if a system has 5 relays with 2 degrees of freedom (dial and k), then the size of the AS-graph for 20 states will be (20, 10). There will be a total of 200 discrete settings of relays. As more degrees of freedom are added to the AS-graph, the size of AS-graph increases. The AS-graph is as shown in (7): (7) In order to create the AS-graph matrix, necessary data such as upper and lower limits and steps of the control variables are needed. For example if a system has 2 relays with 2 degrees of freedom (dial,k) which the range of dial is [0.5, 1.4] in steps of 0.1 and the range of k is [1.4, 1.6] in steps of 0.05, then the ASgraph is a (10, 4) matrix. Note that there are 10 values in the range of dial setting including upper and lower limits, but there are only 5 values in the range of k setting including upper and lower limits. Under this circumstance, complete the rest of the matrix of the k settings by repeating the upper limit of k. This is to have a sequential order. 57 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. Pheromone Matrix: The pheromone matrix γ(m,n) is constructed according to the size of AS-graph, where m is the number of states and n is the number of stages. This matrix is initialized as shown in (8): (8) where τ_max is the maximum pheromone trail and is given in (9): (9) where fgbest is the global best solution (best over all the past iterations) and α is an empirical value that best suits in the range [0.88, 0.99] [11]. In the case of initializing the pheromone matrix, f_gbest is an initial estimation of the best solution. In this paper, pheromone matrix was first constructed with all equal edges as presented in (8). However, as in the construction of the AS-graph, the smallest settings of relays occupy the first rows of the AS-graph. These settings are the ideal settings for coordination due to the reason that they will result minimum operation time. Hence, after the pheromone matrix is constructed, the pheromones of the first rows of this matrix are increased. This was done to help the algorithm find the best time operation settings in less time, so one decide how many rows to change and in what amount. One shall not change too many rows and the changes should not be large because this will significantly affect the performance of the exploration of ants. Transition Rule: When ant-j is at the r-state of the (i-1)-stage, it will choose the s-state of the (i)-stage as the next visit according to the transition rule shown in (10): (10) where is a memory tabu list of ant- j that defines the set of points still to be visited when it is at point r. The pheromone of the next possible visit of (i)-stage currently under evaluation is γ(r,s) and ∑lγ(r,l) is the pheromone sum of the entire column of the (i)-stage under evaluation. 58 Pheromone Update: Local pheromone update: The pheromone trail on each edge of the ant-j tour is updated immediately as the ant-j agent finishes its tour. This is given in the (11): (11) (12) where α is the persistence of the pheromone trail within the range 0<α<1, (1-α) represent the pheromone trail evaporation and ∆γ k(r,s) is the amount of pheromone that ant-j puts on edge (r,s). The desirability of the edge (r,s) is represented by ∆γj, such as a shorter distance, a better performance, and in this case a smaller operation time. The objective function evaluation of the settings of ant-j tour is represented by f and Q is a positive constant. It is observed from (12) that as constant Q increases, the amount of pheromone deposited by an ant decreases. Here Q was chosen to be 100. Global pheromone update: After all ant agents have completed their tours in the iteration, the primary and backup operation times are computed. The objective function is evaluated for each ant tour and all pheromone edges (r,s) of the best ant tour (the ant tour with best fitness value) are updated according to (13): (13) where fbest is the best solution of this iteration, R is a positive constant and is the location list of the best ant tour that records the state of each stage when ant-j moves from one stage to another. It is observed from (13) that as constant R increases, the amount of pheromone deposited by an ant increases. Here R was chosen to be 5. In this work, the global pheromone update was not performed as described in the previous paragraph. This was because updating only the best ant tour leads to premature convergence. Therefore, the global pheromone update was performed by updating a percentage of the best ant tours. For example, 30% of the ant tours that ranked the best were updated. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. Empirical tests have shown that the ACO converges faster when both Q and R are arbitrarily large numbers and almost equal to one another. Studies in the literatures might use Q=R=1,000,000 for other problems, but such large constant is not very suitable to use here because the algorithm converges around 30 iterations, leaving many coordination pairs uncoordinated. This is the reason for choosing Q=100 and R=5. They were chosen empirically but can work for any network. Intelligent Exploration: Intelligent exploration of the AS-graph consists of exploring the setting (dial) of specific relays after a pre-specified amount of iterations. This was programmed to help coordinating all coordination pairs. The dial setting was chosen because it has more influence on the relay operation time. First, the coordination pairs that are not coordinated are detected. Then, a pair is selected to start with. Next, the setting of this specific relay (primary) is obtained from the best ant tour and is used as the upper limit. Afterwards, (13) is applied again but with the modification as given in (14). (14) where ran1 is a random number selected from the interval [1:r]. Pheromone is then deposited on this edge. Note that r represent the upper limit (state) and s represent the specific relay (stage). Depositing pheromone on this specific edge will lead the ant agents to explore the corresponding setting from the AS-graph. And because it has an upper limit, the newly explored edge will correspond to a smaller setting in the AS-graph, leading to a reduction of primary operation time. The setting of the specific relay (backup) is obtained from the best ant tour of the same coordination pair that was selected previously, and it is used as the lower limit. Then (13) is applied again but with the modification as given in (15). Depositing pheromone on this specific edge will lead the ant agents to explore the corresponding setting from the AS-graph. Because it has a lower limit, the newly explored edge will correspond to a bigger setting in the AS-graph, leading to an increment of backup operation time. If all coordination pairs were coordinated then coordination pairs that have a greater CTI than the pre-specified are detected and reduced. A coordination pair is chosen to start with and the settings of both relays (primary and backup) are obtained from the best ant tour and used as the upper limit. Then, (13) is applied again, this time, for both the primary and backup relay. By doing so, pheromone trails are deposited on these specific edges (both primary and backup). This leads ant agents to explore the corresponding settings from the AS-graph. And because they have upper limit, the newly explored edges will correspond to a smaller setting in the AS-graph, leading to a reduction of both primary and backup operation time. Test system The IEEE 14-bus test system was chosen as shown in figure 2. The system consists of 32 phase relays and they are located as shown in figure 2. The voltages were selected to be 34.5 kV for buses at high voltage side of transformers and 22 kV for buses at low voltage side of transformers. All relays are considered to have very inverse time characteristic curve as was presented in table I. (15) where ran2 is a random number selected from the interval [r:end of state]. The Pheromone is then deposited on this edge. Note that r represent the lower limit (state) and s represent the specific relay (stage). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 Fig. 2. IEEE 14 bus test system. 59 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. In this present work, coordination of phase relays will be studied and ground relays will be omitted. As ground protection is an easier problem, the study here will concentrate on the complicated coordination of phase relays. The relay names are not assigned as a number, as was done conventionally, but are instead generated automatically by the real time algorithm as a string of numbers. These relay names (string of numbers) consist of 3 digits. The first digit is the name of the nearby bus, the second digit is the name of the remote bus and the third digit represents the number of parallel lines between two buses. For example, the relays between buses 1 and 2 that are near bus 1 are assigned as [1 2 1] and [1 2 2], while the relays that are near bus 2 are assigned as [2 1 1] and [2 1 2] respectively. The two lines between buses 1 and 2 have the same impedance value. Therefore the relays [1 2 1], [1 2 2], [2 1 1] and [2 1 2] sense the same amount of maximum load currents of 815 A, but due to the n-1 contingency analysis described in section II-A, the maximum load currents of these relays are 1,849 A. The current values are based on minimum load operation. The CTI is proposed to be 0.3 seconds. Both dial and k are considered continuous in GA, their range are [0.5:2.0] and [1.4:1.6] respectively. However, dial and k are considered as discrete values in ACO, their range and step are [0.5:2.0], [1.4:1.6] and 0.05, 0.01 respectively. Other parameters of the ACO are Q = 100, R = 5. The only stopping criterion is to stop when the algorithms have reached the maximum iteration of 1,000. Although each algorithm has its own stopping criteria, they were disabled in order to be comparable between them. The GA is simulated with 500 chromosomes and the ACO is simulated with 500 ant agents. The fault currents are calculated with the remote end opened. This was done due to two considerations: to obtain the maximum fault current that the relay senses and the very small probability for the remote end relay to malfunction. Note that as the operation of the elements or the network topology changes, load flow and fault analysis must be computed again through real time algorithm. RESULTS AND DISCUSSIONS Fixed Network Simulation The main network is simulated using both the GA and the ACO with the corresponding parameters presented in previous section. There are a total of 39 relay coordination pairs after the sensitivity filter. Both algorithms were simulated 10 times. The convergence of each algorithm was averaged using the best fitness of each iteration of the 10 simulations. This is presented in figure 3 for comparison. The averaged number of violations of coordination constraints, averaged fitness convergence and averaged time of both the GA and the ACO are 0.1, 10.611, 5507 seconds and 0, 7.994, 441 seconds respectively. From these results, it is concluded that ACO has fewer violations of coordination constraint, better convergence and faster performance than GA. Note that in ACO, all coordination pairs are coordinated for the 10 simulations. On the contrary, some of the 10 GA simulations do not have all coordination pairs coordinated. The averaged relay settings and operation time, as well as CTI and sensitivity of the 10 averaged GA and ACO simulations are presented in table II. Table II. Averaged relay settings, operation time, cti and sensitivity of both Ga and aco for main network topology at maximum load. Fig. 3. Averaged fitness convergence of the main network topology of both GA and ACO in ten simulations operating at maximum load. 60 Algorithm Dial k GA ACO 1.1324 0.9875 1.4952 1.5004 Blackp Time 3.1425 2.3968 Primary Time 1.1817 1.0383 CTI Sensitivity 1.9650 1.3581 3.12005 3.12624 Although it is observed from table II that the averaged dial is near 1, there are many relays that use the minimum dial value, which leads to faster operation time. Some relays use a dial near minimum, and the rest use bigger dials due to the necessity for Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. coordination. All relays use small k which leads to greater sensitivity. This observation goes for both the GA and the ACO. Real Time Coordination The results presented in section VI-A are computed based on the maximum load currents. Now suppose that there is a decrement of load flow to minimum due to a seasonal change. The relays of the system can have faster operation time and better sensitivity if they are computed again using real time algorithm (to obtain the latest fault and load currents) and the coordination algorithms are run again. There are a total of 48 relay coordination pairs after the sensitivity filter as the load decreased. Both algorithms were simulated 10 times. The convergence of each algorithm was averaged using the best fitness of each iteration of the 10 simulations. This is presented in figure 4 for comparison. The averaged number of violations of coordination constraints, averaged fitness convergence and averaged time of both the GA and the ACO are 1.4, 11.748, 5825 seconds and 0, 6.968, 438 seconds respectively. From these results, it is concluded that the ACO has fewer violations of coordination constraints, better convergence and faster performance than GA. Note that in the ACO all coordination pairs are coordinated for the 10 simulations. On the contrary, some of the 10 GA simulations do not have all coordination pairs coordinated. Fig. 4. Averaged fitness convergence of the main network topology of both GA and ACO in ten simulations operating at minimum load. The relay operation time of the newly coordinated original system due to season change is shown in table III. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 Table III. Averaged relay settings, operation time, cti and sensitivity of both ga and aco for main network topology at minimum load. Algorithm Dial k Blackp Time Primary Time CTI Sensitivity GA ACO 1.1336 1.1165 1.4909 1.4434 2.7546 2.1331 0.8511 0.7973 1.9266 1.3357 4.03250 4.17205 A better comparison between the GA and the ACO algorithms and the averaged relay operation results before and after seasonal change is presented in a chart form as presented in figure 5. The “NV” represents the amount of not coordinated pairs, or in other words the amount of violations of coordination constraints, “tp” and “tb” represent primary and backup time, “CTI” is the coordination time interval, “sen” represents the sensitivity, and “dial” is the time dial and “k” is the security factor that multiplies the load current. From figure 5 it is observed that the NV is zero for the maximum and minimum loads using ACO, while it is 0.1 for the GA at maximum load and 1.4 at minimum load. The increase in the averaged NV for the GA at the minimum load is because the number of coordination pairs increased as the load current decreased, leading the GA being incapable to satisfy all the coordination constraints using only 500 individuals. However, due to the need of fast execution time for the purpose of real time coordination, the amount of individuals must not be increased if a serious consideration is not taken into account. Fig. 5. Comparison chart of the averaged values of both GA and ACO operating the main network topology at maximum and minimum load. The tp and tb of both the GA and the ACO algorithms operating at the minimum load is smaller than operating at the maximum load. This proves the idea of obtaining better relay operation time performance using real time coordination. The tp and 61 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. tb of the ACO are smaller than those of the GA. The CTIs of the ACO are smaller than those of GA. It is a very remarkable improvement of sensitivity when the system is executed by the real time algorithm at the minimum load operation. There was a small increase of dial using the ACO when the system is operating at the minimum load. This is reasonable because the dial is the major factor that affects the operation time. When load current decreases the relay operation time decreases (faster operation) as well, so the dial increases to maintain coordination. On the contrary, if the load current increases, the dial decreases. There was a small decrease of k using the ACO when the system is operating at the minimum load. This decrement of k leads to increment of sensitivity. Modified Network Simulation Suppose now that the main network topology suffered the following change when it was operating at the minimum load: an outage of distribution line [1 2 2] due to maintenance. As contingency analysis was taken into account in the load flow and fault simulation in the real time algorithm, the outage of line [1 2 2] did not cause inappropriate operation of the nearby relays which would have lead to severe loss of selectivity. All relays maintained coordinated for this change of network topology. If the n-1 contingency analysis was not taken into account, same relays would have loss selectivity for this change of topology. Now if another element is out of service, the actual relay settings will no longer maintain selectivity. Hence, in order to let all relays maintain coordinated for another outage (expected or unexpected), the new topology must be simulated again from real time algorithm to coordination. There are 41 coordination pairs for the new system due to network change. The averaged number of violation of coordination constraints, averaged fitness convergence and averaged time of both GA and ACO are 0.8, 11.637, 4028 seconds and 0, 7.694, Table IV. Averaged relay settings, operation time, cti and sensitivity of both Ga and aco for modified network topology at minimum load. Algorithm Dial k Blackp Time Primary Time CTI Sensitivity GA ACO 1.1468 1.0340 1.4909 1.4982 3.2725 2.4744 1.1006 0.9577 2.2031 1.5167 3.77672 3.75726 62 377 seconds respectively. The relay operation time of the modified network is shown in table IV. A comparison between table III and IV and the averaged relay operation results before and after network change at minimum load is presented in chart form as shown in figure 6. Fig. 6. Comparison chart of the averaged values of both GA and ACO operating the modified network topology at minimum load. There are zero NV for ACO algorithm. The NV reduced for GA because the number of coordination pairs reduced, leading to less coordination constraints. The increments of both GA and ACO such as tp, tb, and the decrements such as sensitivity, dial are due to the outage of line [1 2 2] that caused the increment of load current for the remaining DOCRs. CONCLUSION In this paper, the idea of real time coordination is presented by formulating the coordination problem using the ACO. The main contribution of this research work is introducing the brilliant idea of real time (online) coordination. In other words, the aim is to find as quickly as possible a set of solution that will guarantee the sensitivity and selectivity of relays not only for the current topology, but tolerating an n-1 contingency on a real time basis. The implementation of the proposed algorithm can be performed in various ways, such as considering discrete or continuous relay settings. Also the update can be performed every change of season (less frequently) or every change of demand (more frequently). REFERENCES 1. A. J. Urdaneta, R. Nadira, and L. G. Perez, Optimal coordination of directional overcurrent Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. relays in interconnected power systems, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 3, No. 3, pp. 903-911, July.1988. A. J. Urdaneta, H. Restrepo, S. Marquez, and J. Sanchez Coordination of directional overcurrent relay timimg using linear programming, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 11, No.1, pp. 122-129, January 1996. B. Chattopadhyay, M. S. Sachdev, T. S. Sidhu An on-line relay coordination algorithm for adaptive protection using linear programming technique, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 11, No.1, pp. 165-173, January 1996. Mohamed M. Mansour, Said F. Mekhamer, and Nehad El-Sherif El-Kharbawe, A modified particle swarm optimizer for the coordination of directional overcurrent relays, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 22, No.3, pp. 1400-1410, July 2007. Reza Mohammadi, Hossein Askarian Abyaneh, Farzad Razavi, Majid Al-Dabbagh, Seyed H. H. Sadeghi, Optimal relays coordination efficient method in interconnected power systems, journal of Electrical Engineering, vol. 61, No. 2, pp. 7583, 2010. Manohar Singh, B. K. Panigrahi, Optimal overcurrent relay coordination in distribution system, IEEE, 2011. Dharmendra Kumar Singh and S. Gupta, Optimal coordination of directional overcurrent relays: A genetic algorithm approach, IEEE Students’ Conference on Electrical, Electronics and Computer Science, 2012. Dusit Uthitsunthorn and Thanatchai Kulworawanichpong, Optimal overcurrent relay coordination using genetic algorithms, International Conference on Advances in Energy Engineering, 2010. Abbas Saberi Noghabi, Javad Sadeh, and Habib Rajabi Mashhadi, Considering different network topologies in optimal overcurrent relay coordination using a hybrid GA, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 24, No.4, pp. 1857-1863, Octuber 2009. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 10.A. Motie Girjandi, M. Pourfallah, Optimal coordination of overcurrent relays by mixed genetic and particle swarm optimization algorithm and comparison of both, International Conference on Signal, Image Processing and Applications, vol. 21, 2011 IACSIT Press, Singapore. 11.J. Lewis Blackburn, and Thomas J. Domin, Protective relaying, principles and applications, 3rd edition, 2006. 12.A. J. Urdaneta, L. G. Perez, and H. Restrepo, Optimal coordination of directional overcurrent relays considering dynamic changes in the network topology, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 12, No. 4, pp. 1458-1464, October.1997. 13.Abbas Saberi Noghabi, Javad Sadeh, and Habib Rajabi Mashhadi, Optimal coordination of directional overcurrent relays considering different network topologies using interval linear programming, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 25, No.3, pp. 1348-1345, July 2010. 14.Kwang Y. Lee, and John G. Vlachogiannis, Optimization of power systems based on ant colony system algorithms: an overview, ISAP, 2005. 15.Yun-He Hou, Yao-Wu Wu, Li-Juan Lu, XinYin Xiong Generalized ant colony optimization for economic dispatch of power systems, IEEE, 2002. 16.Shyh-Jier Huang, Enhancement of hydroelectric generation scheduling using ant colony system based optimization approaches, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 16, No. 3, September 2001. 17.Marco Dorigo, Mauro Birattari, and Thomas Stutzle, Ant colony optimization: artificial ants as a computational intelligence technique, IEEE Computational Intelligence Magazine, November 2006. 18.Hadi Saadat, Power system analysis, McGrawHill, ISBN 0-07-561634-3, 1999. 63 �Eventos y reconocimientos OBITUARIO El pasado 30 de julio falleció, a la edad de 65 años, el Ing. Lorenzo Vela Peña, quien fuera alumno, maestro y posteriormente (1978-1984), director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. También fue Secretario General de la UANL (19851991), Secretario de Educación del Estado de Nuevo León (1991-1992); Director General del Instituto de Capacitación y Educación para el Trabajo, Secretario de Desarrollo Económico (1995-1999); Coordinador General de Universidades Tecnológicas de Nuevo León (1997-1999); Director de la Dirección General de Educación Técnica Industrial DGETI (2001-2006); Coordinador General de las Oficinas de Servicios Federales de Apoyo a la Educación OSFAE (2006-2007). Su cargo más reciente fue el de Rector de la Universidad Tecnológica General Mariano Escobedo. El Ing. Vela fue jugador del equipo de futbol americano de la FIME y posteriormente el entrenador de los Osos de FIME, y en 2011 se le otorgó la presea Caballero Tigre como reconocimiento a su labor en beneficio del futbol americano. 64 PRIMEROS 100 DÍAS DE ADMINISTRACIÓN El pasado 8 de agosto se llevó a cabo una reunión en la que el director de la FIME, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, compartió con alumnos y maestros algunos de los logros más inmediatos de la administración a su cargo, enfatizando los 36 compromisos que se han cumplido los primeros 100 días. En esta reunión estuvo presente el Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, quien además expresó un mensaje de reconocimiento. Lo acompañaron el Ing. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL y exdirector de la FIME; el Dr. Juan Manuel Alcocer, Secretario Académico de la UANL; así como el Ing. José Antonio González Treviño y el MC. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza, exdirectores de la FIME. El Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, atendiendo a los estudiantes en sus primeros 100 días al frente de la administración de la FIME. ADQUISICIÓN DE AERONAVE FIME-EIAO El pasado 8 de agosto, en acto presidido por el Rector, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, y en el que se contó con la presencia del Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de FIME; el maestro Fernando Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 �Eventos y reconocimientos Rodríguez Gutiérrez, Director de la EIAO; y el Ing. Sergio Gutiérrez Peña, Presidente de la Federación Mexicana de Pilotos y Propietarios de Aeronaves, se entregó un Jet Dassault Falcon-20 que permitirá realizar prácticas a los estudiantes de las carreras de Técnico en Mantenimiento Aeronáutico, que se imparte en la Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” (EIAO), y la de Ingeniero en Aeronáutica, de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME). La aeronave, adquirida con el apoyo de la Fundación UANL, estará a cargo del Centro de Formación, Capacitación y Adiestramiento Aeronáutico “F-111” de la EIAO, autorizado por la Dirección General de Aeronáutica Civil. Autoridades, profesores y alumnos junto al Jet Dassault Falcon-20 de la FIME-EIAO. PREMIOS DE INVESTIGACIÓN UANL 2014 El pasado 18 de agosto se entregó el Premio de Investigación 2014 durante la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario. Entre los merecedores de dicho reconocimiento se encuentra el Dr. Roger Z. Ríos Mercado, de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, con el trabajo en el área de Ciencias Exactas, “Planificación inteligente de territorios comerciales incluyendo requerimientos de realineación y asignación disjunta” con la colaboración del Dr. Jesús Fabián López Pérez de la Facultad de Contaduría Pública y Administración. Además, se galardonó en el área de Ingeniería y Tecnología al trabajo titulado: “Producción de bioelectricidad utilizando nanofibras duales de TiO2/ Carbón como electrodo en la celda de combustible microbiana” a la M.C. Nora Aleyda García Gómez y el Dr. Eduardo Sánchez Cervantes de la Facultad de Ciencias Químicas, así como el Dr. Domingo Ixcóatl García Gutiérrez de la FIME. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 Otro trabajo premiado fue “Nuevas direcciones empíricas en la investigación e innovación de tecnología educativa para la evaluación del aprendizaje en línea: una aproximación conexionista”, en el área de Humanidades, realizado por el Dr. Ernesto Octavio López Ramírez, la Dra. Guadalupe Elizabeth Morales y Claudia Jaquelina González Trujillo, de la Facultad de Psicología, con la colaboración de la Dra. María Isolde Hedlefs Aguilar y Argenis Paul Moreno Meza, de la FIME. Ganadores del Premio de Investigación UANL 2014 con el director de la FIME, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo (centro), a la izquierda: Dr. Jesús Fabián López Pérez y Dr. Roger Ríos Mercado; a la derecha: Ing. Nora Aleyda García Gómez y Dr. Domingo García Gutiérrez. MEJOR TESIS DE LICENCIATURA Y MAESTRÍA UANL 2014 En la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario celebrada el 18 de agosto, se entregaron los premios a las mejores tesis de licenciatura y maestría. En el área de Ingeniería y Tecnología y Arquitectura, el Ganadores del Premio a la Mejor Tesis de Licenciatura, desde la izquierda: Dr. Virgilio González Glz., Profesor de la FIME y asesor de la tesis: Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector; Dr. Jaime A. Castillo Elizondo director de la FIME; Ing. Lucía Guadalupe de la Cruz, Premiada; MC. Juan Ángel Garza Garza. 65 �Eventos y reconocimientos premio a la Mejor Tésis de Licenciatura correspondió al trabajo “Modificación superficial de TiO2,con agentes de acoplamiento del tipo silano y su aplicación en PA6”, realizado por la estudiante Lucía Guadalupe de la Cruz asesorada por el Dr. Virgilio Ángel González González, y el de la Mejor Tesis de Maestría fue para el trabajo “Real time coordination of overcurrent relays by means of optimization algorithm” realizado por el Ing. Meng Yen Shih y asesorado por el Dr. Arturo Conde Enríquez. Ing. Meng Yen Shih, ganador del Premio a la Mejor Tesis de Maestría. CENTRO DE ENTRENAMIENTO AIRBUS El pasado 11 de septiembre se llevó a cabo la instalación del Centro de Entrenamiento de AIRBUS, el cual surge de la cooperación entre la UANL y VivaAerobus, para la capacitación de Autoridades presentes en el anuncio del Centro de Entrenamiento Airbus. 66 pilotos y personal de mantenimiento en América Latina. El anuncio dado en el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) estuvo a cargo del Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, director de la FIME, con la presencia del Dr. Jesús Ancer Rodríguez, rector de la UANL, el Ing. Rogelio Garza Rivera, Secretario General de la UANL, así como directivos de VivaAerobus en América Latina y Caribe, encabezados por su presidente, el Ing. Rafael Alonso, y el alcalde de Apodaca, lugar en el que se instalará el centro, C.P. Raymundo Flores Elizondo. MEDALLA AL MÉRITO “DIEGO DE MONTEMAYOR” En Sesión Solemne del Ayuntamiento de Monterrey celebrada el pasado 20 de septiembre, se entregó la medalla al mérito “Diego de Montemayor”, máximo galardón que el gobierno de la Ciudad otorga a un ciudadano. Los reconocidos fueron el rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, rector de la UANL, por su dedicación al trabajo académico; el Dr. Alejandro Rodríguez Miechelsen, por su trayectoria profesional y liderazgo; y de manera póstuma al Ing. Lorenzo Treviño Zambrano, cuya labor empresarial definió al moderno entorno comercial regiomontano. Las medallas fueron entregadas por la Lic. Margarita Arellanes Cervantes, alcaldesa de esta ciudad. Desde la izquierda: Dr. Alejandro Rodríguez Miechelsen, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Lic. Margarita Arellanes Cervantes, Ing. Jorge Zambrano Treviño. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Julio - Septiembre 2014 Raúl Quiñones Pacheco, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 4 de julio de 2014. Marcel Esaú Mendez Benavides, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 4 de julio de 2014. Wilbert Alejandro Robles Vázquez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 4 de julio de 2014. Fernando Manuel Rodríguez Solórzano, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 4 de julio de 2014. Alejandro Rodríguez Palma, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Sistema primero llega - primero para enlaces ferroviarios”, 7 de julio de 2014. Dora Elia Cantú Linares, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “Estudio de concepto de producto”, 11 de julio de 2014. Brenda Aidé Peña Cantú, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Inferencia de parámetros en líneas celulares de cáncer”, 11 de julio de 2014. Vianca Guadalupe González Rivera, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Fundición MR”, 15 de julio de 2014. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 A lfred o San to s Vi l la r real , M a es t ría e n Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Estudio para determinar el tiempo de ciclo y balanceo de línea en planta de producción de cabezas formadas en frío”, 16 de julio de 2014. Jorge Christopher Garza Sepúlveda, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Análisis multicriterio de puntos de inflexión de precio en el mercado de divisas”, 17 de julio de 2014. Raúl Ángel Uresti Ambriz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Impacto de la inseguridad en la economía de México”, 17 de julio de 2014. Jorge Luis Gutiérrez Platas, Maestría en Administración industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Plan de Negocios Electro Proveedora Gutiérrez”, 21 de julio de 2014. Jazmín Paulina de la Cruz Treviño, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Variaciones de pérdida de tornillería en inventarios generales”, 21 de julio de 2014. Franc is co Ven egas Amar a, Ma es t rí a en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “5’s en laboratorios de FIME”, 24 de Juilio de 2014. Eugenio Gutiérrez Padilla, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con orientación en Vidrio, “Formulación de vidrios sodo-cálcicos con bajo contenido de óxido de magnesio y estudio de propiedades físicas para su aplicación en procesos 67 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL de prensa y soplo-prensa”, 30 de julio de 2014. Celia Cantú Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 1 de agosto de 2014. Francisco Rojas Cabrera, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 1 de agosto de 2014. Hugo Alberto Colín Reyna, Especialización en telecomunicaciones y control, (Por materias), 6 de agosto de 2014. Laura Elena Garza Caballero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “Ambiente de trabajo, compromiso e impacto en una institución de educación superior”, 11 de agosto de 2014. Ricardo Montemayor Garza, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Integridad de inventarios”, 11 de agosto de 2014. Carlos Alberto Dorbecker Valdés, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, “Distorsión Geométrica en Procesos de Maquinado vinculado al desgaste de herramientas”, 12 de agosto de 2014. Roberto Ulises Arredondo Alcalde, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 13 de agosto de 2014. Florencio Humberto Fitch Osuna, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por materias), 14 de agosto de 2014. Alejandro Javier Guerra Lozano, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis, “Sistema Inteligente para la programación de la producción de una planta manufacturera: El caso Planta Textil de Reciente Creación”, 14 de agosto de 2014. Daniel Rivera Rivera, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Transformación de planta de Tradicional a Clase Mundial”, 15 de agosto de 2014. Emilio González Leal, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Disminución del impacto del desabasto de una materia prima mediante el desarrollo de un 68 proveedor”, 18 de agosto de 2014. Enrique Farías Rentería, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 20 de agosto de 2014. Fernando Augusto Carranza Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Autónoma, “Reflexión de luz en guías de onda con estructuras confinantes en el núcleo”, 22 de agosto de 2014. Edna Abigail Figueroa Olazarán, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis, “Mejora en la administración del inventario MRO utilizando análisis multicriterio”, 22 de agosto de 2014. Leopoldo Israel Flores Pérez, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con orientación en Vidrio, “Estudio del Proceso de acondicionamiento térmico del vidrio sodocálcico para la planeación óptima de la producción”, 3 de septiembre de 2014. Norma Alicia Velázquez Ayala, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Certificación ILU”, 4 de septiembre de 2014. María de Jesús Palacios González, Maestría en Ingeniería, con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 5 de septiembre de 2014. , Aarón Celestino Peña, Maestría en Administración Industrial y de Negocios , con orientación en Producción y Calidad, “Aplicación de Lean Manufacturing en un Producto”, 5 de septiembre de 2014. Carlos Alberto Onofre Barrón, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Orientación en Control Automático, “Modelo de Canal y fuente de información para un sistema de control vehicular que utilizará tecnología RFID”, 12 de septiembre de 2014. Ernesto González Flores, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, “Reciclado de llantas”, 17 de septiembre de 2014. José Javie r Barri os Lun a, Ma es tr ía en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Producción y Calidad, “Kaizen líneas de producción SMD”, 17 de septiembre de 2014. Adriana Osuna Arrieta, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz, “Método experimental para la determinación de la difusión de Carbono en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Aceros de baja aleación en rangos industriales de composición”, 19 de septiembre de 2014. Ricardo Jesús Ibarra Ramírez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, “Mejora de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 servicio con las aulas inteligentes”, 29 de septiembre de 2014. René Antonio Jalomo Durán, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 30 de septiembre de 2014. 69 �Acuse de recibo Construcción y Tecnología en Concreto CERO gradoscelsius La revista Construcción y Tecnología en Concreto (ISSN 01877895) es una publicación del Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C, en la que se presentan artículos sobre tecnología, arquitectura, urbanismo y sustentabilidad en el ámbito de urbanización y construcción. La revista cuenta con su versión electrónica a la que se puede acceder por medio de su código QR que está impreso en el índice, dando acceso a novedades exclusivas en el portal. La edición número 51, del mes de agosto, presenta en su articulo principal “Un gigante de concreto” la construcción de la torre mas alta del estado de Nuevo León hablando sobre temas tales como su diseño, tecnología y la inversión económica que representa dicha obra, ubicada en Valle Oriente. Para mayor información se puede visitar la página http://www.imcyc.com/revistacyt/. Esta revista es la publicación mensual de la asociación Nacional de Distribuidores de la Refrigeración y Aire Acondicionado (ANDIRA), y se enfoca en el mantenimiento y capacitación de diversos sistemas de calefacción, ventilación y refrigeración. La revista comprende variados de los temas ya mencionados dando especial realce a las innovaciones tecnológicas, incluyendo reseñas de eventos y productos. Como ej emplo, el a rtí cul o “Tor re s d e enfriamiento” trata del mantenimiento preventivo y correctivo de dichos sistemas, incluyendo un resumen de los diferentes tipos de torres de acuerdo a los tipos de aire, así como varios procedimientos y casos para corregir problemas. El contenido de esta revista puede consultarse en la página oficial de la revista, www.0grados. com.mx, la cual cuenta también con material adicional por escrito y contenidos multimedia. Bertha Idalia González Reyes Eduardo Mauricio Cantú Lizcano 70 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 �Colaboradores Conde Enríquez, Arturo Recibió su título en Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Veracruzana, en Veracruz, México, en 1993, así como la Maestría y el Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, en Nuevo León, México, en 1996 y 2002, respectivamente. Actualmente es profesor de la Universidad Autónoma de Nuevo León y es miembro del Sistema Nacional de Investigadores de México, México. De la Parra Arciniega, Salomé M. Es Ingeniero Químico (1990) y Maestra en Ciencias en Química Inorgánica (2000) por la Universidad Nacional Autónoma de México. Realizó su Doctorado en Ciencias con especialidad en Ingeniería Cerámica en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Actualmente es profesora en la misma facultad. Galina S. Antonova Ha estado con el Lentonics Group of GE Digital Energy por 10 años, donde es responsable del diseño de tarjetas Ethernet para multiplexores JungleMux SONET/ SDH. En los últimos 4 años, se involucró en el desarrollo de los estándares IEEE y se hace miembro Canadiense del IEC TC57 WG10. Galina recibe su título de Maestría (1993) y el Doctorado (1997) en Comunicaciones Informáticas del State University of Telecommunications, en San Petersburgo, Rusia. García Gómez, Nora Aleyda Egresada de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL como Licenciada en química industrial; realizo una maestría en biotecnología con opción en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 ciencia y biotecnología de enzimas en la Facultad de Ciencias Químicas, UAdeC, en Saltillo, Coahuila, se encuentra realizando su Doctorado en Ciencias, Química de los materiales en la FCQ de la UANL. García Gutiérrez, Domingo Ixcóatl Ingeniero Físico Industrial del ITESM campus Monterrey (2001). Maestría en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2004) y Doctorado en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2006), ambos por la Universidad de Texas en Austin. Posteriormente trabajó en el laboratorio de caracterización de procesos del consorcio de investigación y desarrollo de la industria de los semiconductores, SEMATECH, en Austin, Texas (2006-2010). Actualmente es profesor-investigador titular A de la FIME-UANL, miembro del SIN en su nivel 1, cuenta con el reconocimiento de perfil deseable por parte de PROMEP. González Trujillo, Claudia Jaquelina Obtuvo su doctorado en la Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma de Nuevo León. En el momento ella imparte cátedra en la Universidad de Monterrey y está interesada en el modelamiento cognitivo del esquema moral. Hedlefs Aguilar, María Isolde Obtuvo su Licenciatura en la Facultad de Psicología (2007), Maestría en Ciencias con Opción en Cognición y Educación (2009) y Doctorado en Filosofía con Especialidad en Psicología (2011), en la Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Es profesora de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, miembro del 71 �Colaboradores Sistema Nacional de Investigadores. López Pérez, J. Fabián Ingeniero Administrador de Sistemas desde 1987 por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Maestría en Ingeniería Industrial por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey; y con Maestría en Administración de Sistemas de Manufactura en APICS, EUA en 1991. Doctorado en Administración por la Facultad de Contaduría Pública y Administración del Programa de Doctorado en Filosofía con especialidad en Administración, UANL en 2004. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores. López Ramírez, Ernesto Octavio Obtuvo su doctorado en la University of WisconsinMadison, en el área de la cognición humana. Es Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (Nivel II), así como profesor e investigador en la Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Sus intereses de investigación se relacionan al modelamiento cognitivo de la memoria humana, redes neurales, psicofísica de la memoria, tecnología educativa, emoción y aprendizaje. Morales Martínez, Guadalupe Elizabeth Obtuvo su doctorado en la Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Es Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (Nivel I), así como profesor e investigador en la Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Sus intereses de investigación se relacionan al modelamiento cognitivo de la emoción humana, redes neurales, tecnología educativa, emoción y el estudio de los déficits del reconocimiento facial emocional en el Síndrome de Down. Reyes Gasga, José Obtuvo la licenciatura en Física (1983) y la Maestría en Física de Materiales (1986) de la Facultad de Ciencias, UNAM. Obtuvo el doctorado en 72 Ciencia de Materiales del CISECE en 1988. Fue Vicepresidente (1995-1997) y de Presidente (19971999) de la Asociación Mexicana de Microscopía, y ha formado parte del la Mesa Directiva de la Sociedad Mexicana de Cristalografía, la Academia Mexicana de Materiales y del Comité Interamericano de Sociedades de Microscopía Electrónica (CIASEM). Su reciente aportación científica la ha hecho en el tema de la cristalografía del esmalte dental humano. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, nivel III. Ríos Mercado, Roger Z. Licenciado en Matemáticas de la UANL. Doctor y Maestro en Ciencias en Investigación de Operaciones e Ingeniería Industrial de la Universidad de Texas en Austin. Actualmente es Profesor Titular de la FIME-UANL. Es miembro del SNI Nivel II, de la Academia Mexicana de Ciencias y del Cuerpo Académico consolidado de Ingeniería de Sistemas. Más información en: < http://yalma.fime.uanl. mx/~roger/ >. Sánchez Cervantes, Eduardo M. Licenciado en Ciencias Químicas por el ITESM y Doctor en Ciencias Químicas con orientación en Química del Estado Sólido por la Universidad Estatal de Arizona (USA). Actualmente es Profesor de Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y obtuvo el premio de Investigación UANL-Ingeniería en 2007 y el premio de Investigación UANL-Ciencias Exactas en 2007, 2008 y 2011. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel I. Yen Shih, Meng Recibió su título en Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Chetumal (ITCH) en el 2010, y cursa actualmente la Maestría en Ingeniería Eléctrica. Su enfoque de investigación es sobre la protección de sistemas de poder. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 73 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Revisores Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. 74 Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 �excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. 75 �76 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2014 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 17 Número Número de la revista 65 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2014, Año 17, No 65, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2014 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020828 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Ánodos Bioelectricidad Facilitación semántica Nanofibras duales Redes semánticas https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20787/Ingenierias_2014_Ano_17_No_64_Julio-Septiembre.pdf 76b69fd699681119a81debd6830774c1 PDF Text Text ��64 Contenido Julio-Septiembre de 2014, Año XVII, No. 64 2 3 6 12 20 31 38 55 60 62 63 65 66 Directorio Editorial Internacionalización y trabajo colaborativo Jaime A. Castillo Elizondo Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial en celdas de combustible Rubí a. Hernández Carrillo, Lorena L. Garza Tovar, Luis C. Torres González, Eduardo M. Sánchez Cervantes Propiedades dieléctricas de maíz mexicano Richard Torrealba Meléndez, María Elena Sosa Morales, José Luis Olvera Cervantes, Alonso Corona Chávez Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable Michelle Guzmán Nieto, Diego Francisco Ledezma Ramírez, Pablo Ernesto Tapia González Transmisión de luz en guías de onda con estructuras intrínsecas al núcleo Norma Patricia Puente Ramírez, Fernando Carranza Hernández, Gustavo Rodríguez Morales Microwave ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products in standard and smart ovens Robert F. Schiffmann Eventos y reconocimientos Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Acuse de recibo Colaboradores Información para colaboradores Código de ética Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 3 �DIRECTORIO Ingenierías, Año XVII, N° 64, julioseptiembre 2014. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de julio de 2014. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2014 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Ing. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván Eduardo Mauricio Cantú Lizcano Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Héctor Javier Vélez Verduzco Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Ing. Dagoberto Salas Zendejo Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Azael Martínez De la Cruz, FIME-UANL / Dr. Enrique López Cuellar, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL 4 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 �Editorial: Internacionalización y trabajo colaborativo Jaime A. Castillo Elizondo Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL Jaime.Castilloe@uanl.mx Entre varias definiciones, suele hacerse referencia al trabajo colaborativo como las acciones que un grupo efectúa de modo intencional y coordinado para lograr objetivos comunes al grupo. Tomando separadamente la movilización de los recursos materiales, algo que entraña gran dificultad es la motivación y participación activa del capital humano, ya que éste debe estar involucrado de la manera más voluntaria posible, por lo que es muy importante que las políticas de una organización fortalezcan la lealtad, confianza, compromiso, comunicación y diversidad de talento de los miembros del grupo. La diversidad de talento lleva necesariamente a una de las características esenciales del trabajo colaborativo, la complementariedad. El trabajo colaborativo pone en acción el talento y capacidad de todos los que componen el grupo considerando aspectos sociales, psicológicos y personales. En ocasiones el trabajo colaborativo es interpretado como trabajo en grupo y es común que se entienda como la suma de la contribución individual de ciertas tareas sin ninguna interacción. Esto es impreciso, ya que solamente la colaboración interactiva y coordinada puede ser considerada como trabajo colaborativo. Una diferencia importante entre los grupos de trabajo y los colaborativos es que en los primeros sus miembros son homogéneos en cuanto a sus competencias, mientras que en los colaborativos son heterogéneos. Esto plantea de manera intrínseca una situación que en cuanto al liderazgo debe revisarse, ya que en un grupo homogéneo surge un líder, que bien podría ser aquel que tenga el mayor dominio de la competencia correspondiente, y en cambio en un grupo heterogéneo cada quien se considera a sí mismo líder en su competencia particular. Se podría suponer entonces que en el trabajo colaborativo el liderazgo proviene del grupo, sin embargo después de muchísimas generaciones, la civilización se ha desarrollado en cada época, independientemente de las ideologías y variantes de organización, bajo la guía de un líder y no bajo el liderazgo grupal. El 12 de septiembre de 1962, John F. Kennedy, entonces presidente de Estados Unidos de América, dio un discurso en el que expresó: “ … Elegimos ir a la luna en esta década y hacer otras cosas, no porque sean metas fáciles, sino porque son difíciles, porque ese desafío servirá para organizar y medir lo mejor de nuestras energías y habilidades, porque ese desafío es un desafío que estamos dispuestos a aceptar, uno que no queremos posponer …”. Ser el mejor implica estar en competencia, y en su momento ir a la luna era lo que pondría a Estados Unidos en la cabeza de la carrera espacial que estaba teniendo lugar. Se podrían sustituir las palabras “ir a la luna” por la meta que se quiera enfrentar para ser el mejor, y hacerlo antes de que lo haga alguien más. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 5 �Internacionalización y trabajo colaborativo / Jaime A. Castillo Elizondo. En este famoso discurso se reconocía la magnitud del reto, a la vez que se sugería un sentido de pertenencia, capacidad y corresponsabilidad al mencionar “nuestras energías y habilidades” especialmente cuando más tarde en el mismo discurso dice “… debemos hacer el trabajo”, con valor especial a la lealtad y compromiso, tal como el formato de trabajo colaborativo plantea. En ese mismo discurso Kennedy dijo “Soy yo quien está haciendo todo el trabajo, solo queremos que se queden tranquilos por un momento”, lo cual causó risas, pero dejó muy claro que aunque el compromiso es de todos, sólo hay un líder. Las organizaciones modernas se han impuesto como meta tener una participación activa en el ámbito internacional, con lo que se han acuñado términos como el de “clase mundial”, indicando que tal organización es comparable con cualquier otra en el mundo, se podría decir “internacional” sin que el significado sea afectado seriamente. Sin embargo habría que precisar en qué son comparables; si fuera una empresa, por ejemplo, podría ser en su servicio al cliente, en su atención al medio ambiente, o en el trato a sus empleados, por señalar algunas comparaciones que deben ser siempre favorables. Lo más común es que este término sea interpretado por el público como una referencia a la calidad de la organización. El hecho de que un organismo llegue a considerarse de clase mundial no lo convierte en un referente internacional, pues en el primer caso se intenta ser como las demás, mientras que en el segundo, quien marca el referente es aquel que dicta el modelo, y de hecho quienes se convierten en verdaderas referencias son seguidos por los demás. Al igual que con la clase mundial queda abierta la posibilidad de múltiples comparaciones también se da con la referencia internacional. ¿En qué se es referencia? No es posible que un organismo sea una referencia absoluta y se convierta en el modelo a seguir en todos los aspectos. El alcance internacional es obligatorio, de hecho, no hay manera de evitarlo, nuestros portales de Internet pueden ser vistos prácticamente en cualquier parte del mundo, ya que la apertura que brinda la informática genera una exposición pública que hace que de la misma manera que nos enteramos de asuntos que ocurren en otras partes del mundo, también en esos lugares llegan a enterarse de nuestros logros, especialmente a través de redes sociales. Dada esta cobertura, la meta de convertirse en un referente de nivel internacional, que he mencionado en múltiples ocasiones ante estudiantes, académicos y administrativos de la FIME, no es sencilla, en gran parte por los resultados que no son inmediatos y por lo tanto el trabajo se lleva a cabo durante períodos largos de consolidación que requieren la integración de programas que consideran la gestión responsable de la formación, del conocimiento y la cultura, con el necesario fortalecimiento de la planta académica y el desarrollo de sistemas de educación continua con intercambio, vinculación y cooperación académica con los sectores social y productivo. En la carrera espacial original había solamente dos participantes con una meta de la cual era fácil determinar su cumplimiento, en cambio ahora el número de instituciones educativas es enorme, y los criterios para definir la validez de un logro abarcan cada vez más aspectos, incluyendo el seguimiento de egresados, tutorías, planta docente, laboratorios y métodos de enseñanza y evaluación. 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 �Internacionalización y trabajo colaborativo / Jaime A. Castillo Elizondo. Cuando una sociedad, un país, una institución se imponen en su visión la de ser los más reconocidos, los mejores, ser los líderes en sus respectivas áreas, entonces el desafío es siempre grande porque siempre se tiene que hacer más que quienes llevan la delantera. Las exigencias que involucran componentes sociales con situaciones que son multicausales son normalmente complejas. La única manera de poder lograr esta meta es siguiendo una metodología que esté basada en el trabajo colaborativo, que como ya expliqué, es efectivo porque toma en cuenta la participación y talento de todos los posibles involucrados, aprovechando el potencial individual de cada uno de manera que al final el total es mayor que la suma de sus partes. Un buena estrategia toma en consideración los eventos que ocurren simultáneamente en el entorno y es congruente con las políticas y proyectos institucionales, en nuestro caso planteados dentro de la Visión 2020 de la FIME y de la UANL, que a su vez están acordes a políticas nacionales e internacionales. Ya se han hecho esfuerzos de internacionalización en que estudiantes de nuestra facultad han completado unidades de aprendizaje y han recibido grados de otros países dentro de convenios redactados con este mismo espíritu de colaboración, por lo que el trabajo a desarrollar es mucho más que un ejercicio para organizar y medir lo mejor de nuestras energías y habilidades; la organización está dada por un plan estratégico que facilita la gestión y ejecución de las acciones, con orientación a la responsabilidad social, mediante procesos innovadores alineados a las políticas y proyectos institucionales; y la medida estará dada por las actitudes, valores, conocimientos y competencias que se inculquen a los estudiantes durante su formación y que llevan a la comunidad en donde con su ejemplo se vuelven el referente de nivel internacional que buscamos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 7 �Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial en celdas de combustible Rubí A. Hernández Carrillo, Lorena L. Garza Tovar, Luis C. Torres González, Eduardo M. Sánchez-Cervantes Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas Lab. de Materiales 2: Almacenamiento y Conversión de Energía, eduardo.sanchez@uanl.edu.mx RESUMEN Las membranas de poli(2,5 – benzimidazol), dopadas con ácido forfórico fueron obtenidos mediante la su inmersión del polímero en baños de ácido y un líquido iónico conocido como dihidrógeno fosfato de 3-butil-1-etilbenzimidazolio en distintas proporciones. Mediante la espectroscopia de infrarrojo con transformada Fourier se detectó la interacción entre el grupo fosfato y el anillo imidazol del polímero en la muestra. Se observa que la adición de la mezcla de líquido iónico a una membrana de ABPBI mejora significativamente su estabilidad térmica y conductividad iónica, permitiendo obtener materiales que mantienen estabilidad hasta los 200 ºC, con conductividad superior a los 10 -4 S/cm. PALABRAS CLAVE Membranas de intercambio protónico, celdas de combustible, líquidos iónicos, benzimidazol. ABSTRACT The membranes of poly(2, 5- benzimidazole) doped with phosphoric acid were obtained by polymer immersion in baths containing H3PO4 and ionic liquid dihydrogen phosphate 3-butyl-1-ethylbenzimidazolium in different concentrations. The interaction among PO43+ and the imidazol ring of the polymer is studied using Fourier transform infrared spectroscopy detected within the sample. It is found that addition of a mixture of ionic liquid to ABPBI membrane improves significantly the thermal stability and ionic conductivity, which allows to produce materials that remain stable at temperatures up to 200 ºC, and conductivity over 10-4 S/cm. KEYWORDS Protonic exchange mebranes, fuel cells, ionic liquids, benzimidazole. 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial... / Rubí A. Hernández Carrillo, et al. INTRODUCCIÓN Hoy en día el cambio climático y sus consecuencias sobre nuestro planeta ha impulsado el desarrollo de fuentes alternas de energía con el fin de sustituir a los combustibles fósiles. Durante las últimas décadas las llamadas energías renovables son consideradas como alternativas viables para contribuir al futuro energético con bajo impacto ambiental, así mismo el creciente avance tecnológico ha promovido la investigación de métodos de producción, almacenamiento y conversión de energía de forma limpia y descentralizada. Una de las tecnologías que están en constante evolución son las celdas de combustible (CC); éstas son dispositivos electroquímicos que convierten la energía liberada de reacciones químicas directamente en energía eléctrica, de manera similar como lo hacen las baterías o pilas que usamos habitualmente, pero la diferencia principal es que las celdas de combustible mantienen un suministro constante de electricidad siempre que exista aporte de combustible, mientras que las baterías cesan su producción cuando se agotan los reactivos químicos que contienen.1 A grandes rasgos, las CC se conforman por dos electrodos, un ánodo y un cátodo, los cuales están separados por un electrolito (figura 1). Estos dispositivos son alimentados con hidrógeno por el lado anódico y oxígeno por el lado catódico. En el ánodo, el H2 se disocia en protones y electrones. Los protones son transportados a través del electrolito hacia el cátodo mientras que el electrón lo hace a través de un material conductor externo produciendo energía. Al final de su camino ambos, electrón y protón, se reúnen en el cátodo donde ocurre la reacción de reducción del oxígeno para formar agua. Así, este proceso produce agua tanto en fase vapor como líquida, corriente eléctrica y energía térmica la cual puede ser aprovechada en sistemas de cogeneración (figura 1). Entre los beneficios que presentan este tipo de dispositivos frente a otras fuentes de generación de energía se encuentra la alta eficiencia que pueden alcanzar (entre 50% y 85%). Además, su construcción puede realizarse de manera que provean el voltaje, la carga y la potencia deseada dependiendo de la aplicación para la cual fueron diseñadas.2 Finalmente, y a pesar de que admiten Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 Fig. 1. Funcionamiento de una celda de combustible. combustibles variados, con mayor o menor pureza, la emisión de gases contaminantes hacia la atmósfera es muy baja. Las celdas de combustible son en realidad una familia de tecnologías que pueden operar a diferentes temperaturas según sea el fin para el cual estarán destinadas. Por ello se puede hablar de celdas de combustible de alta temperatura, las cuales operan a temperaturas mayores a 200 °C y las de baja temperatura, cuya operación se debe llevar a cabo por debajo de los 100 °C (tabla I).3 Una diferencia derivada de la temperatura de operación es el tipo de electrolito que debe utilizarse en la celda, pues la efectividad del proceso electroquímico dependerá de la capacidad que tenga dicho componente para crear la conductividad necesaria para el transporte de iones. De esta gran gama de dispositivos, las celdas de combustible con membrana de intercambio de protónico (PEMFC) son las que ofrecen mejores perspectivas a futuro para su aplicación dentro del campo de la industria automotriz y la energía portable.4 Hoy en día, el electrolito más utilizado en celdas PEM consta de un polímero perfluorosulfonado conocido comercialmente como Nafion®; sin embargo, para que este material funcione adecuadamente necesita operar en condiciones de elevada humedad lo que limita la temperatura de operación de la celda a 100 °C, lo que trae consigo diversas problemáticas tales como el uso de catalizadores de Pt lo que incrementa el costo de manufactura del dispositivo.5 Además, al trabajar a estas temperaturas es necesario utilizar combustibles con alto grado de pureza a fin de evitar el posible envenenamiento de los electrodos 7 �Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial... / Rubí A. Hernández Carrillo, et al. Tabla I. Clasificación de las celdas de combustible. Tipo de celda de combustible Electrolito Temp (°C) Polímeros sólidos ácidos 60 a 100 Ánodo H2->2H++2eCátodo 1/2 O2+2H++2e-->H2O Solución acuosa KOH 90 a 250 Ánodo H2 +2(OH)-->2H2O+2eCátodo 1/2 O2+H2O+2e-->2(OH) Metanol directo (DMFC) Polímeros sólidos ácidos 60 a 100 Ácido Fosfórico (PAFC) H3PO4 175 a 200 Ánodo H2->2H++2eCátodo 1/2 O2+2H++2e-->H2O Carbonato Fundido (MCFC) Solución liquida de carbonato de Li y Na 600 a 750 Ánodo H2+CO32-->H2O+CO2+2eCátodo 1/2 O2+CO2+2e-->CO32- Membrana de Intercambio Protónico (PEMFC) Alcalina (AFC) Óxido Sólido (SDFC) Óxidos 1000 refractarios Reacciones electroquimicas Aplicaciones portátiles Global: H2+ 1/2 O2 -> H2O Global: H2+1/2 O2->H2O Ánodo ROH+H2O->CO2+6H++6eCátodo..... 6H++1/2 O2+6e-->3H2O Naves espaciales Aplicaciones portátiles Ventajas *Uso Pt * Sencible a impurezas en el combustible *Fácil a lmacenamiento *Uso de Pt *Baja corriente *Permeabilidad de reactivos por membrana *Reacción catódica rápida Estaciones *Hasta 85% de fijas de media eficiencia capacidad *H2 impuro Global: H2+1/2 O2->H2O Global: H2+1/2 O2 +CO2->H2O+CO2 Ánodo Cátodo H2+O2-->H2O+2e1/2 O2+2e-->O2- con monóxido de carbono; debido a esto, el desarrollo de nuevos materiales capaces de conducir protones a mayor temperatura sin comprometer su estabilidad térmica y mecánica es uno de los grandes retos científicos en este campo de la investigación.6 La familia de los polibenzimidazoles constituye un grupo de materiales atractivos para ser aplicados como electrolitos poliméricos en PEMFC. De dichos compuestos, el ácido fosfórico poli(2,5benzimidazol) dopado (ABPBI) es el que presenta la estructura molecular más sencilla; por tal motivo ofrece una mayor concentración de grupos funcionales que favorecen la conductividad de protones a través de la membrana.7,8 Con la finalidad de hacer investigación de manera sustentable, poco a poco van emergiendo nuevos compuestos “amigables” con el medio ambiente. Un ejemplo de ello son los líquidos iónicos. El principal atractivo de estos materiales es que son sales liquidas en un amplio intervalo de temperaturas, incluyendo la temperatura ambiente, debido a que están formadas por iones asimétricos de gran tamaño.9 Deesventajas *Disminución de volumen *Baja temperatura Global: ROH+1/2 O2->CO2+2H2O Global: H2+1/2 O2 ->H2O 8 Aplicaciones *Muy baja tolerancia al CO2 en los reactivos *Uso de Pt *Baja corriente *Gran peso y tamaño Estaciones fijas a gran escala *Alta eficiencia *Variedad de combustibles *Alta corrosión *Componentes para alta temperatura Estaciones fijas a gran escala *Alta eficiencia * Baja corrosión *Variedad de combustibles *Componentes especiales para alta temperatura La elección adecuada de los iones determinará las propiedades fisicoquímicas del líquido iónico, con lo cual se puede diseñar el compuesto más apropiado para cierta aplicación. Así, estos líquidos iónicos muestran baja presión de vapor, por lo que se les considera disolventes no volátiles. Esta característica es la base del gran interés que suscitan estos compuestos en la “química verde” para reemplazar a los disolventes orgánicos convencionales. Otras de sus características es que presentan alta estabilidad térmica (>450 °C en algunos casos), elevada conductividad iónica (10-2-10-1 S/cm) y una amplia ventana de potencial (2-5 V), lo que los hace atractivos candidatos para aplicarse en diferentes dispositivos electroquímicos.10 Recientemente, la incorporación de líquidos iónicos en membranas poliméricas de PEMFC´s se esboza como una estrategia inteligente para incrementar la conductividad protónica y la resistencia termomecánica del polímero. Por todo lo anterior, nuestro grupo de investigación se planteó el desafío de desarrollar una membrana de intercambio protónico basada en ABPBI Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial... / Rubí A. Hernández Carrillo, et al. impregnado con ácido fosfórico y líquido iónico dihidrógenofosfato de 3-butil-1-etilbenzimidazolio con la finalidad de generar un material con mejores propiedades químicas, térmicas y de conductividad que las mostradas por Nafion®, de manera que puedan operar en celdas de combustible tipo PEM de alta temperatura. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para la obtención de las membranas, primero se realizó la síntesis del líquido iónico y del polímero ABPBI. Posteriormente, la inmersión de las membranas se llevó a cabo en baños de dopaje compuestos por H3PO4 y líquido iónico dihidrógenofosfato de 3-butil-1-etilbenzimidazolio (BuEtBim-H2PO4) en diferentes proporciones (tabla II). Una vez transcurrido el tiempo de inmersión (24 h), las membranas se caracterizaron estructural, térmica y electroquímicamente.11 Con el uso de la técnica de espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourrier o FTIR fue posible analizar los materiales preparados. En los espectros resultantes se observa la interacción entre el H3PO4 y el anillo de imidazol del polímero en la zona comprendida de 4000 a 2000 cm-1. En el rango entre 3000 y 2500 cm-1 se observa la aparición de una banda muy ancha debido a la formación del enlace N+-H, originada por la protonación de la imina en el ABPBI.12 Por otro lado, es posible asignar dos bandas principales debidas a la tensión O-H del ácido fosfórico y al grupo dihidrógeno fosfato del LI. La primera de ellas aparece alrededor de 2700 a 3000 cm-1 y se encuentra solapada con la tensión N+-H. La segunda banda está centrada en 2350 cm-1. Finalmente, las bandas atribuibles al ácido fosfórico libre aparecen alrededor de 1250 y 850 cm-1.13 La presencia de las bandas correspondientes a los grupos Tabla II. Proporción de H3PO4 y BuEtBimH2PO4 en los baños de dopaje. Muestra BuEtBimH2PO4 % H3PO4 mL 2 25 11.20 4 75 3.75 1 3 5 0 50 100 5 7.50 0 BuEtBimH2PO4 mL 0 3.75 7.50 11.25 15 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 Fig. 2. FTIR de las membranas después del dopaje. funcionales de los tres componentes del sistema nos habla de la afinidad que existe entre ellos al combinarse en la membrana (figura 2). La estabilidad térmica de nuestros materiales se probó mediante análisis termogravimétrico. El termograma revela que las membranas pierden humedad desde el principio del análisis hasta cerca de 150 °C; después de esta temperatura, el peso permanece prácticamente constante hasta los 400 °C. Cabe mencionar que la descomposición total del polímero ocurre a los 550 °C y, que en el caso de estas muestras en particular, la estabilidad termal estaba fuertemente ligada con la estabilidad del líquido iónico dihidrógenofosfato de 1-butil-3etilbenzimidazolio (figura 3). Por último, se analizó la conductividad protónica de las membranas para, de esa manera, evaluar el efecto de la adición del H3PO4 y líquido iónico a diferentes temperaturas; dicho análisis se realizó mediante la técnica de espectroscopia de impedancia utilizando un potenciostato con módulo analizador de impedancias Gamry PC4/750 A. Para el montaje de la celda la superficie de las membranas se recubrió con oro, con el fin de asegurar un buen contacto ohmico (mediante un rociador de metales Pelco VII); posteriormente, se presionaron entre dos electrodos de acero inoxidable conectados a las terminales del equipo. Las mediciones se realizaron dentro de un intervalo de frecuencias de 1 a 100,000 Hz 9 �Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial... / Rubí A. Hernández Carrillo, et al. ventaja de operar a temperaturas >100 °C. Otro dato importante que arroja este análisis es que por debajo de 100 °C predomina un mecanismo de conductividad tipo “salto”; esto es debido a que el trasporte protónico consiste en un ágil reagrupamiento de las uniones químicas en una cadena larga de moléculas de agua, de manera que los protones se trasladen de una molécula a otra, mediante la formación y ruptura de puentes de hidrógeno entre moléculas vecinas.14 La movilidad protónica por medio de este mecanismo es mucho más rápida y se ve favorecida por la presencia de humedad en la membrana. A temperaturas superiores a 100 °C cobra importancia Fig. 3. Análisis termogravimétricos de las membranas preparadas. utilizando una perturbación sinusoidal de 10 mV. Cabe mencionar que este análisis sólo se realizó en las muestras que presentaron mayor resistencia mecánica desde 30 hasta 150 °C. La interpretación de los resultados obtenidos se llevó a cabo mediante el ajuste de los datos experimentales con un modelo de circuitos equivalentes tipo Randless para ello se utilizó el software ZSimWin Vd3.30. Finalmente, la conductividad de las membranas se calculó a partir de la ecuación: Donde σ membrana es la conductividad de la membrana, l es el espesor, A es el área de la membrana y R representa la resistencia del material al paso de la corriente. Este dato se obtuvo a partir de la intersección de la impedancia real (Z´) cuando la imaginaria (Z´´) tiende a cero en el gráfico de Nyquist. Los resultados obtenidos muestran que la conductividad iónica de las membranas ABPBIH3PO4-LI se incrementó después de sumergirlas en los baños de dopaje. La conductividad más elevada se obtuvo por encima de los 100 °C en la muestra de polímero dopada con 50%LI-50%H3PO4, el valor resultante es mayor a 10-4 S/cm. Este resultado se considera aceptable para materiales poliméricos con aplicación como electrolito en CC y además tiene la 10 Fig. 4. Conductividad de las membranas dopadas en función de la temperatura y composición de los baños de dopaje. un mecanismo vehicular de conductividad, ya que la difusión de las cargas se da con mayor facilidad al incrementar la temperatura; por tanto, la movilidad de los protones se ve incrementada.15 (figura 4). CONCLUSIONES La adición de una mezcla de líquido iónico a una membrana de ABPBI mejora significativamente su estabilidad térmica y conductividad iónica, permitiendo obtener materiales estables hasta los 200 °C con conductividad superior a 10-4 S/cm. Aunque los resultados son gratamente prometedores, hay que seguir en la investigación con tal de que posteriormente puedan ser aplicados como electrolitos en celdas de combustible tipo PEM de alta temperatura. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial... / Rubí A. Hernández Carrillo, et al. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento a los proyectos SEP-CONACyT #151587 y SENERCONACyT 150111. Además se reconoce el apoyo de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México, bajo el programa PAICyT. REFERENCIAS 1. Hirschenhofer J.H., Stauffer D.B., Engleman R.R. y Klett M.G. Fuel Cell Handbook. 4° ed. Ed. Parsons Corporation Reading. 1998. 2. Cano Castillo Ulises. Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y eficiente vía electroquímica. Boletín IIE. (sep-oct):208-215. 1999. 3. EG&G Services Parsons, Inc. Science Applications International Corporation. Fuel Cell Handbook. U.S. Departament of Energy Office of Fossil Energy National Energy Technology Laboratory. 5° ed. 2000. 4. Grubb Willard Thomas. The encyclopedia of eart. 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ISBN: 978-1-62100-477-6.2012. 10.Romero Salvador Arturo. Líquidos iónicos a temperatura ambiente: un nuevo medio para las reacciones químicas. Rev.R.Acad.Cienc.Exact. Fís.Nat. 102(1): 79-90. 2008. 11.Hernández-Carrillo R A, Suarez-Guevara J, Torres-González L C, Gómez-Romero P, Sánchez EM. Incorporation of benzimidazolium ionic liquid in proton exchange membranes ABPBI-H3PO4. Journal of Molecular Liquids, 181:115-120. 2013. 12.Bouchet R, Siebert E. Proton Conduction in Acid Doped Polybenzimidazole. Solid State Chemistry. 118(3-4): 287-299. 1999. 13.Guerra G, Choe S, Williams D J, Karasz F E, MacKnight W J. Fourier Transform Infrared Spectroscopy of Some Miscible P ol yb e n zi m i da z o l e / P ol y i m i de B l en d s . Macromolecules. 21(1):231-234. 1988. 14.Kreuer K. D., Paddison S. J., Spohr E., Schuster M. Transport in proton conductors for fuelcell applications: Simulations, elementary reactions, and phenomenology. 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La constante dieléctrica permaneció sin cambio dentro del rango de frecuencia estudiada, mientras que el factor de pérdida de la misma disminuyó. Las propiedades dieléctricas incrementaron con el aumento de temperatura. Mediante un diagrama de Argand, se analizó el comportamiento de las propiedades dieléctricas del maíz con respecto a los incrementos de temperatura y el contenido de humedad. El método propuesto podría implementarse para determinar la humedad del maíz dentro de los límites establecidos por la Norma Mexicana. PALABRAS CLAVE Propiedades dieléctricas, maíz, conductividad eléctrica. ABSTRACT Dielectric properties of three varieties of mexican corn ( white, blue and yellow) with different moisture content were determined and analyzed through Ultra- wideband (UWB) frequencies (3-10.6 GHz), using a free-space transmission method. Permittivity and electrical conductivity of corn were shown higher for increased moisture content. The dielectric constant remained unchanged within the range of the studied frequency, while its loss factor decreased. Dielectric properties increased with the rise of temperature. By means of an Argand diagram, the behavior of the corn´s dielectric properties was analyzed in relation to the rising of temperature and its moisture contents. The proposed method could be applied to determine moisture content of corn according to the limits established by Mexican Standards. KEYWORDS Dielectric properties, corn, electrical conductivity. 12 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Propiedades dieléctricas de maíz mexicano / Richard Torrealba Meléndez, et al. INTRODUCCIÓN El maíz (Zea mays L.) es un producto milenario cuyo cultivo se remonta a la época prehispánica y sigue siendo el cultivo de mayor presencia en México. Desde diferentes puntos de vista; alimentario, ganadero, económico y social, es uno de los productos más importantes del país.1 Adicionalmente, México es el país con más diversidad de maíces, concentrando especies nativas (criollas), mejoradas, silvestres (teozintle) y otro conjunto de gramíneas relacionadas que son especies del género Tripsacum, conocidos como maicillos. 2 Diferentes variedades de maíz mexicano han sido caracterizadas en cuanto a su composición química y calorimetría 3, y a su contenido de almidón,4,5 pero no han sido caracterizadas desde su punto de vista dieléctrico. Existen reportes de propiedades dieléctricas de maíces en el extranjero, donde han encontrado su relación con el contenido de humedad y densidad.6,7 Las propiedades dieléctricas determinan el acoplamiento y la distribución de la energía electromagnética durante la exposición de un material a microondas u ondas de radiofrecuencia. Las propiedades dieléctricas se ven afectadas por el contenido de humedad, la temperatura y la frecuencia.8 La permitividad (ε) es un valor complejo que describe las propiedades dieléctricas: ε = ε’ - j ε”, donde ε’ es la constante dieléctrica, que determina la capacidad del material de almacenar energía, y ε” es el factor de pérdida, que indica la capacidad de disipar energía en forma de calor como respuesta al campo eléctrico aplicado. La Norma Mexicana NMX-FF-034/1-SCFI2002 marca que el maíz blanco debe tener 14% de humedad para permitir el manejo, la conservación y el almacenamiento adecuado del grano, así como una densidad mínima de 74 kg/hl (equivalente a 0.74 g/cm 3). 9 La constante dieléctrica puede relacionarse a la humedad y conocer su valor de manera rápida en granos de maíz de acuerdo a su variedad o pigmentación. Por lo anterior, el objetivo de este estudio fue determinar y analizar las propiedades dieléctricas de tres variedades de maíz mexicano en el rango de banda ultra ancha (UWB) que comprende de 3 a 10.5 GHz 10. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 MATERIALES Y MÉTODOS EXPERIMENTALES Variedades de maíz Se utilizó maíz mexicano (Zea mays L.), en sus variedades: chato blanco, criollo azul y criollo amarillo adquiridos en Tonanzintla, Puebla (figura 1). Una parte de la muestra fue rociada con agua purificada para incrementar su contenido de humedad, manteniéndola en frascos cerrados durante 18 horas a temperatura ambiente. Las muestras humedecidas artificialmente simulan condiciones de mal almacenamiento o malas condiciones de secado de la muestra, las cuales estarían fuera de norma. Fig. 1. Muestras de maíz mexicano estudiadas: maíz chato blanco (izquierda), maíz criollo azul (centro) y maíz criollo amarillo. Determinación del contenido de humedad y de densidad del maíz La humedad se determinó por duplicado en estufa a 100 °C durante 24 h.11 La densidad del maíz (ρ) fue calculada por la relación ρ =m/V, donde m es la masa (g) y V el volumen ocupado por un lote de maíz (cm3), se considera la densidad aparente. Para ello, se colocaron granos de maíz en una probeta de 500 mL (V=500 mL=500 cm3) y se tomó el peso de los granos contenidos (g),12 la determinación se hizo por triplicado para cada maíz y para cada contenido de humedad. Medición de las propiedades dieléctricas de maíz La permitividad fue obtenida experimentalmente usando el método de transmisión en espacio libre. Este método consiste en obtener la función de transferencia de inserción mediante dos mediciones, las cuales se realizan en el dominio de la frecuencia en la banda ultra ancha (3.1 – 10.6 GHz) usando un analizador vectorial de redes (LeCroy, Estados 13 �Propiedades dieléctricas de maíz mexicano / Richard Torrealba Meléndez, et al. Unidos). Estas mediciones se efectuaron de la siguiente manera: primero se coloca un contenedor de baja permitividad (cartón), de 25 cm x 11cm x 5 cm, en medio de dos antenas de apertura tipo Vivaldi13 que operan en el rango de banda ultra ancha; una antena funciona como transmisor y la otra como receptor; la distancia de separación entre las antenas es de 20 cm (figura 2). Posteriormente se mide el coeficiente de transmisión con el contenedor vacío y finalmente se mide el coeficiente de transmisión con el contenedor lleno de la muestra de maíz (entre 1.1 y 1.3 Kg). Fig. 2. Esquema experimental para el método de transmisión en espacio libre. Las mediciones se llevaron a cabo en una cámara anecoica, la cual provee un ambiente de baja reflexión para una correcta medición. La función de transferencia de inserción se obtiene a través de la siguiente ecuación.14 (1) donde S21 es el coeficiente de reflexión medido con el contenedor lleno de maíz, es el coeficiente de reflexión medido con el contenedor vacío, f es la frecuencia (Hz). Una vez obtenida la función de transferencia de inserción, la permitividad (ε’) y el factor de pérdida (ε”) son obtenidas para materiales de baja perdida (ε”<< ε’) usando las siguientes ecuaciones.15 (2) (3) donde ∆ϕ es la fase de la función de inserción de transferencia H(f) (grados), ∆A es la atenuación en 14 transmisión debida a la presencia de la muestra (dB), λ0 es la longitud de onda en el espacio libre (m) y d es el espesor de la muestra (m) La constante dieléctrica (ε’) y el factor de pérdida (ε’’), de las tres variedades de maíz que se usaron en este trabajo, fueron obtenidas para un rango de frecuencia de 4.5 a 11 GHz, para las siguientes temperaturas: 24, 36 y 52 °C. Para realizar la medición a diferentes temperaturas, la caja con la muestra fue introducida en un horno de microondas (1650 W, LG, México) por algunos segundos, dependiendo de la temperatura objetivo. Después del calentamiento, la muestra fue homogeneizada y la temperatura verificada con un termopar. Se tomaron 5 réplicas para cada medición. La determinación de las propiedades dieléctricas a altas temperaturas es importante para conocer el comportamiento cuando se desee calentar las muestras con otros fines, como eliminación de plagas o mohos. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Contenido de humedad y densidad de las muestras de maíz Para cada tipo de maíz con su correspondiente contenido de humedad, se obtuvo el valor de la densidad. La densidad del maíz disminuyó con el contenido de humedad, según se muestra en la Tabla 1. La densidad aparente del maíz blanco fue mayor que la del maíz azul y el amarillo, debido a que el grano blanco es de menor tamaño. Los resultados de 0.679-0.795 g/cm3 para humedades entre 8 y 17% coinciden con lo reportado para maíz amarillo de Illinois, con valores de 0.72 a 0.79 g/cm3 con contenido de humedad entre 10.2 y 17.5%.6 Los granos de maíz sin humedecer cumplieron con la Tabla I. Contenido de humedad y densidad de las tres variedades de maíz estudiadas. Las muestras marcadas (*) fueron humedecidas. Variedad Blanco Azul Amarillo Humedad (%b.h.) Densidad (g/cm3) 14.5 ±0.03 * 0.740 ±0.001 8.0 ± 0.07 0.795 ±0.003 9.3 ±0.14 0.716 ±0.004 7.70 ±0.15 0.764 ±0.004 17.0 ±0.05 * 15.5 ±0.11 * 0.679 ±0.001 0.745 ±0.003 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Propiedades dieléctricas de maíz mexicano / Richard Torrealba Meléndez, et al. Norma Mexicana, 9 ya que tuvieron contenidos de humedad menores al 14% (blanco 8%, azul 9.3% y amarillo 7.7%). También cumplen con la humedad recomendada por el Codex Alimentarius, en donde se indica una humedad máxima del 15.5%.16 Efecto de la frecuencia, temperatura y porcentaje de humedad La constante dieléctrica y el factor de pérdida, se obtuvieron mediante las ecuaciones (2) y (3) respectivamente. La figura 3 muestra el efecto de la frecuencia sobre ε’ para las temperaturas de 24, 34 y 56 °C, con sus correspondientes contenidos de humedad para cada una de las variedades de maíz. La constante dieléctrica permaneció prácticamente sin cambio, para las tres variedades, en el rango de frecuencia estudiado (figura 3). Se puede observar que la permitividad para el maíz amarillo a la temperatura de 24 °C (figura 3c) es mayor que la determinada para las otras variedades (figuras 3a y b), lo que indica que el tipo de maíz sí tiene efecto sobre la permitividad. Por otro lado, ε’’ (figura 4) permanece casi constante en el rango de frecuencia de 5 a 9 GHz a la temperatura de 24 °C, pero decrece para todo el rango de frecuencia estudiado para las temperaturas de 34 y 56 °C. Por otro lado, ε’’ (figura 4) permanece casi constante en el rango de frecuencia de 5 a 9 GHz a las temperaturas de 24 y 36 °C, pero decrece para todo el rango de frecuencia estudiado para la temperatura de 56 °C. Tanto los valores de ε’ y ε’’ se incrementan a mayores temperaturas, esto coincide con lo reportado para las propiedades dieléctricas del maíz amarillo.6 ,7 El comportamiento de la constante dieléctrica permitiría establecer un criterio para determinar si una muestra de maíz bajo inspección se encuentra dentro de los niveles de porcentaje de humedad que establece la Norma Mexicana. El efecto de la temperatura sobre ε’ y ε’’ es presentado en las figuras 5 y 6. Para el caso de la pemitividad (figura 5) se observa un comportamiento creciente con respecto al incremento de la temperatura para los dos contenidos de humedad de las tres variedades de maíz. Mientras que para el factor de pérdida Figura. 3. Constante dieléctrica (ε’) de maíz (a) blanco con 8% de humedad, (b) azul con 9.3% de humedad y (c) amarillo con 7.7% de humedad, a diferentes temperaturas con respecto a la frecuencia. Figura. 4. Factor de pérdida (ε”) de maíz (a) blanco con 8% de humedad, (b) azul con 9.3% de humedad y (c) amarillo con 7.7% de humedad, a diferentes temperaturas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 15 �Propiedades dieléctricas de maíz mexicano / Richard Torrealba Meléndez, et al. Fig. 5. Constante dieléctrica (ε’) de maíz (a) blanco, (b) azul y (c) amarillo, a 5GHz con respecto al incremento de la temperatura. Figura. 6. Factor de pérdida (ε’’) de maíz (a) blanco, (b) azul y (c) amarillo, a 5 GHz con respecto al incremento de la temperatura. (figura 6) también se presenta un crecimiento con respecto a la temperatura, para contenidos de humedad altos ε’’ permanece constante principalmente en las temperaturas de 36 y 52 °C. El incremento de ε’ y ε’’ está relacionado a la cantidad de agua asociada a los granos y en general a materiales sólidos.17 Al aumentar la temperatura, se asume que los dipolos de las moléculas de agua tienen mayor libertad para girar y por lo tanto tiende a alinearse con el campo eléctrico. En este caso, la agitación térmica incrementa la contribución de las moléculas de agua en la polarización total del material. Este efecto en las moléculas de agua asociada al material produce el incremento en la permitividad y el factor de pérdida.18 Las rectas presentan una pendiente positiva; para el caso de ε’, la pendiente de esta recta se incrementa para altos contenidos de humedad, mientras que para el factor de pérdida, la pendiente disminuye. La tabla II muestra los valores de conductividad eléctrica para los tipos de maíz estudiados. Los valores oscilan entre 0.20 y 0.34 para los maíces a temperatura ambiente a 5 GHz, la conductividad incrementó 16 con la frecuencia, estando en el rango de 0.33 a 0.45 para la frecuencia de 10 GHz. La conductividad también incrementó con el aumento de temperatura en la muestra y con el aumento en el contenido de humedad. La conductividad eléctrica del maíz es muy baja debido a su bajo contenido de humedad, y coincide con los valores reportados para otros granos y semillas, como chícharo, lenteja, soya 19 y frijol de diferentes variedades. 20 Una forma muy útil de analizar los efectos producidos por el incremento en temperatura, porcentaje de humedad y densidad sobre propiedades dieléctricas del maíz, es usando la representación de la permitividad en un plano complejo. Esta representación es conocida también como diagrama Argand. En la figura 7 se puede observar el diagrama generado para el estudio de las propiedades dieléctricas del maíz, considerando las muestras de las tres variedades con diferentes temperaturas y porcentajes de humedad. Para este diagrama, tanto la constante dieléctrica como el factor de pérdida fueron divididos entre la densidad de las muestras, con el fin de integrar la contribución del aire en la muestra a granel. El diagrama fue Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Propiedades dieléctricas de maíz mexicano / Richard Torrealba Meléndez, et al. Tabla II. Conductividad eléctrica (S/m) de maíz blanco, azul y amarillo a diferentes temperaturas y humedades para algunas frecuencias. Las muestras marcadas (*) fueron humedecidas. 5 GHz 10 GHz Temperatura 24 °C 8% Maíz Blanco 0.20 9.30% 17% * 7.70% 15.50% * 0.22 0.33 0.23 0.34 0.29 0.23 0.32 24 °C 0.34 0.45 52 °C 0.35 0.50 36 °C Maíz Amarillo 14.50% * 36 °C 52 °C Maíz Azul 0.28 0.34 0.34 0.48 0.20 0.24 0.30 0.35 0.34 0.39 0.35 0.42 0.34 0.47 0.21 0.29 0.34 0.36 0.33 0.42 0.38 0.45 0.34 0.44 sensible, por lo que se puede establecer que la constante dieléctrica sea el primer indicador sobre contenidos de humedad en las muestras de maíz. La constante dieléctrica en las tres variedades de maíz estudiadas debe ser menor a 3.0 a temperatura ambiente (24°C) para garantizar que el grano cumpla con el contenido de humedad establecido por la Norma Mexicana 034 (14% de humedad para maíz blanco), o menor de 3.5 para cumplir con lo indicado por el Codex Alimentarius (15.5% máximo para cualquier tipo de maíz). Fig. 7. Diagrama de Argand para las tres variedades de maíz a las frecuencias de 5 GHz y 10 GHz. ( -maíz blanco - maíz negro y - maíz amarillo) generado para dos frecuencias: 5 GHz y 10 GHz. Para ambos casos, se observa un comportamiento lineal y creciente con el incremento de temperatura y del contenido de humedad. En este diagrama, se observa nuevamente que el parámetro más sensible a los cambios de temperatura y humedad es la constante dieléctrica para ambas frecuencias. Se observa también que la pendiente de la recta disminuyó cuando se incrementó la frecuencia, debido a que el factor de pérdida en frecuencias altas, no sufre cambios significativos con el incremento de la temperatura y el porcentaje de humedad. Este comportamiento coincide con lo reportado para las propiedades dieléctricas de harinas de garbanzo, chícharo, soya y lenteja a frecuencias de 918 a 1800 MHz.19 Con los resultados encontrados, se ha determinado que la constante dieléctrica es el parámetro más Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 CONCLUSIONES El método de transmisión en el espacio libre es una excelente técnica para obtener las propiedades dieléctricas del maíz mexicano (blanco, azul y amarillo); el método es sensible a los incrementos de temperatura y porcentajes de humedad. Las propiedades dieléctricas del maíz también dependen de la frecuencia. Mediante el diagrama de Argand se concluye que para las tres variedades de maíz se tiene una tendencia similar en sus propiedades dieléctricas. Finalmente, en este trabajo se propone como aplicación potencial determinar si el maíz tiene la humedad establecida por la Norma Mexicana a través del valor de la constante dieléctrica en el rango de banda ultra ancha, con recomendación en el uso a 5 GHz y a 24 °C. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al CONACYT por la beca para estudios de Doctorado de R. Torrealba Meléndez, así como el apoyo a través de los proyectos 168990 y 180061. 17 �Propiedades dieléctricas de maíz mexicano / Richard Torrealba Meléndez, et al. REFERENCIAS 1. SIAP. 2008. Servicio de Información Agropecuaria y Pesquera. Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (SAGARPA). Disponible en: http://www.siap. gob.mx/ 2. Biodiversidad Mexicana. 2012. Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad. Maíces. Disponible en: http:// www.biodiversidad.gob.mx/usos/maices/maiz. html 3. 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Se presenta en este trabajo un análisis experimental sobre la cuantificación del amortiguamiento por fricción seca en tales tipos de aislantes, estimando el amortiguamiento por medio de dos métodos, con el fin de entender el mecanismo de disipación de energía y emplear dicha información para mejorar el diseño de los aislantes vibratorios. PALABRAS CLAVE Amortiguamiento, histéresis, modelo Bouc-Wen, resortes de cable. ABSTRACT Mechanical vibrations normally produces adverse effects in structures, machinery and people; one of the most used methods of vibration control is vibration isolation. Amongst the different configurations of isolators, wire rope springs, also known as cable isolators are used for their high capacities of energy storage and dissipation, which is based on dry friction. As a result, they are used in extreme applications such aeronautical, military naval, and others involving high vibration and shock levels. An experimental analysis of the quantification of damping by dry friction is presented in this paper, estimating the damping by two methods, namely a low frequency sinusoidal input to obtain the hysteresis loops, then a broadband frequency excitation in order to estimate the modal damping. This will provide more insight in understanding the mechanism of energy dissipation and use this information to improve the design of vibration isolators. KEYWORDS Damping, hysteresis, Bouc-Wen model, spring cables. INTRODUCCIÓN Las vibraciones mecánicas son por lo general indeseables, ya que pueden causar fallas mecánicas, ruido excesivo, y problemas en personas, entre otros efectos. Para reducir estos efectos, el aislamiento vibratorio es el método más común y consiste en colocar un arreglo elástico y amortiguante para almacenar la energía vibratoria y disiparla. Existen diferentes tipos de aislantes como los 20 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. resortes metálicos, neopreno, resortes neumáticos, etc. Cuando se trata con vibraciones de corta duración y altas amplitudes denominados impactos, se requiere de aislantes capaces de almacenar y disipar grandes cantidades de energía, como lo son, por ejemplo, los amortiguadores de fricción seca. Existe un tipo especial de aislantes vibratorios de alto rendimiento capaces de almacenar y disipar grandes cantidades de energía por medio del principio de fricción seca, conocidos como resortes de cable. Se utilizan en ambientes de vibración extrema con aplicaciones militares, navales aeronáuticas, y aeroespaciales. Consisten en una serie de hebras de acero enrolladas alrededor de un núcleo metálico, dispuestas en una configuración helicoidal o en una configuración de tipo hoja. Sus propiedades están definidas por el diámetro, número y longitud de las hebras que componen al cable, así como la dirección en que se enrolla. Esta última característica es opuesta a la dirección en la que se teje el cable, lo cual provoca que al comprimir o tensionar el resorte exista un rozamiento entre las hebras causando amortiguamiento por fricción seca. Aunque en el plano práctico se cuenta con mucha información sobre el diseño y la manufactura de estos aislantes, el estudio del mecanismo de disipación de energía y su cuantificación no están propiamente caracterizados y esto dificulta la selección y optimización de los sistemas de aislamiento, particularmente en aplicaciones de vibración por impactos. Hasta este punto y al conocimiento de los autores, existen pocos trabajos dedicados al estudio del amortiguamiento de aislantes de fricción seca, como los resortes de cable, con aplicación al aislamiento de impacto. Este trabajo pretende esclarecer una pequeña porción del amplio campo de trabajo que aún existe dedicado a la cuantificación del amortiguamiento, en especial el amortiguamiento no lineal, sus efectos ante el problema de aislamiento de impacto y a la mejora de procedimientos de diseño de sistemas de aislamiento pasivo. ANTECEDENTES Una de las primeras aplicaciones de fricción seca en el aislamiento de impactos fue realizada por Mercer1 quien diseñó un aislante óptimo en base al principio de fricción ajustable, obteniendo Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 mejores resultados que en estudios previos donde se estudiaban polímeros, como fue el caso de los trabajos de Snowdon.2-5 Sin embargo, el análisis de aislamiento de vibraciones utilizando resortes de cable se remonta a unos años atrás, desde que Molyneux6 estudiaba el comportamiento de diferentes arreglos de resortes de baja rigidez con rangos de desplazamiento limitado, para el aislamiento de vibraciones mecánicas en aplicaciones aeronáuticas. Eshelman 7, 8 estudió la respuesta de diferentes configuraciones de aislantes de impacto como resortes helicoidales, líquidos, neumáticos, de anillo y amortiguadores de fricción demostrando sus altas capacidades en cuanto a disipación de energía. Cutchins y otros10 publicaron estudios sobre rigidez y amortiguamiento no lineal, de donde se derivó un modelo analítico para la descripción del lazo de histéresis comúnmente observado en sistemas de rigidez no lineal. Este estudio se enfoca en los resortes de cable y los autores notaron que las hebras del resorte de cable tendían a separarse al comprimirse, mientras que al tensionarse existe un mayor número de puntos de contacto y la resistencia al movimiento relativo se incrementa, provocando que la función fuerza-desplazamiento actúe de forma diferente en tensión que en compresión. Posteriormente Cutchins y otros 11 continuaron sus investigaciones donde buscaban desarrollar un modelo analítico semi-empírico, que pudiera describir en su totalidad el comportamiento de aislantes de impacto conformados por resortes helicoidales de cable bajo cargas axiales. A finales de 1993, Demetriades y otros12 también investigaron la respuesta de resortes de cable, pero esta vez bajo movimientos sísmicos donde derivaron un modelo analítico que se calibró mediante resultados experimentales. Para 2000 Popp y otros 13 realizaron una investigación teórica, citando estudios relevantes a la naturaleza discontinua de ambos fenómenos: impacto y fricción, resaltando con ejemplos cotidianos donde se observan y considerando la importancia de su estudio. En años más recientes, Leenen14 y posteriormente Schwanen15 presentaron la caracterización de resortes de fricción seca con el uso de un modelo modificado de Bouc-Wen, utilizado ampliamente para la descripción de sistemas histeréticos, considerado 21 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. también como un modelo matemático semi-físico. Otras aplicaciones de los resortes de cable se encuentran en la ingeniería civil, Georges y Vickery16-18 diseñaron y probaron experimentalmente un amortiguador de masa sintonizado utilizando resortes de cable, con un enfoque similar al de Wang y otros19 y realizaron pruebas sobre cientos de resortes de cable de acero dispuestos en una configuración paralela, para así crear un dispositivo contra colisiones entre barcos y puentes. Hogea y otros,20 así como Foss21 realizaron pruebas experimentales, en dirección axial, con resortes de cable para obtener datos sobre su rigidez dinámica y su amortiguamiento bajo cargas armónicas. Más recientemente, Ikmal 22 presentó un sistema de aislamiento de impacto de control activo, incorporando un modelo matemático con amortiguamiento de Coulomb, demostrando teórica y experimentalmente que si la fricción reduce notoriamente el desplazamiento máximo, se observa una transición brusca del cambio instantáneo de la aceleración cada vez que la fuerza de fricción cambia de dirección. Fundamentos teóricos En 1699 Guillaume Amontons realizó una serie de observaciones sobre el fenómeno de fricción, pero es hasta 1780 que Coulomb en su “Théorie des machines simples” deja asentados los fundamentos del modelo clásico de fricción, también llamado modelo de Coulomb,23 el cual puede verse resumido como: • La fuerza de fricción es independiente del área de contacto. • La fuerza de fricción es proporcional a la fuerza normal que se ejerce sobre la superficie. • La fuerza de fricción estática máxima depende de la duración del contacto. • La proporcionalidad existente entre la fuerza normal y la fuerza de fricción se denomina coeficiente de fricción μ y es constante para el caso del contacto metal-metal. • Cuando el área de contacto es significativamente grande y la fuerza normal es pequeña, la fuerza de fricción tiende a incrementarse con respecto a la velocidad. Para el caso contrario, es decir 22 donde el área de contacto es pequeña y la fuerza normal es grande la fuerza de fricción tiende a disminuir con respecto a la velocidad. • Existe un segundo término independiente de la fuerza normal y proporcional al área superficial, que resulta despreciable para la mayoría de los casos. De acuerdo a los puntos anteriores, la fuerza de fricción se describe matemáticamente de acuerdo a la ecuación 1: (1) Siendo Fn la fuerza normal a la superficie de contacto y μ el coeficiente de fricción. Cuando el sistema es dinámico la fuerza de fricción resulta independiente de la magnitud de la velocidad, aunque su signo determina la dirección de la fuerza de fricción.24-26 De acuerdo al diagrama de cuerpo libre, esquematizado en la figura 1, la ecuación de movimiento para un modelo dinámico de parámetros concentrados de un grado de libertad con amortiguador de Coulomb que se desplaza por la base es: Donde la función signo se define como: (2) (3) Y z representa el desplazamiento relativo: (4) Y u hace referencia al desplazamiento de la base. La función signo, como se describe en la ecuación (3), es una función discontinua que no tiene un valor definido para ż=0, por lo que la fuerza de fricción es indefinida cuando la velocidad tiende a cero. Para Fig. 1. Sistema de parámetros concentrados de un grado de libertad con amortiguador de Coulomb que se desplaza por la base. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. minimizar problemas numéricos derivados de dicho fenómeno, se utilizan aproximaciones del modelo de Coulomb.22 puede encontrarse un cierto número de modelos matemáticos, como la ecuación (8) que permiten simular dicho efecto.27 Modelo Stick-Slip Considerando la figura 1, el sistema esta inicialmente en reposo. Al aplicar una fuerza sobre la masa, la fuerza de fricción se opone al movimiento inminente. La dinámica puede comenzar únicamente si y solo si la fuerza aplicada es mayor que la fuerza de fricción, esto es: Donde g(zst) puede ser cualquier función que describe el efecto de Stribeck, las ecuaciones mostradas en la tabla I representan solo algunas de las funciones disponibles en la literatura (el subíndice st representa la velocidad de Stribeck). (5) Una vez que el movimiento comienza la fuerza de fricción Ff disminuye en magnitud aparentemente, y se dice que μ se traslada de su valor estático μs a su valor dinámico μk, siendo el segundo siempre menor al primero. (6) (7) Cuando la fuerza que se aplica es cíclica se encuentran intervalos de tiempo para los cuales la excitación F(t) es menor a la fuerza de fricción Ff, donde el sistema se detiene momentáneamente y el coeficiente de fricción aumenta de su valor dinámico a su valor estático. Para que el sistema pueda retomar su curso, la excitación F(t) debe superar nuevamente el valor de la fuerza de fricción Ff. Si la fuerza que se aplica es un impulso o se trata de una oscilación libre, también existen intervalos de tiempo donde las fuerzas debidas a la rigidez dinámica (kz) y la inercia ( ) se vuelven menores a Ff, provocando que el sistema se detenga momentáneamente. El sistema solo retoma su estado de movimiento si las fuerzas restauradoras tienen suficiente cantidad de movimiento para superar a la fuerza de fricción Ff, la cual ha aumentado instantáneamente de su valor dinámico a su valor estático. La inclusión de la variación del coeficiente de fricción seca en la ecuación dinámica (2) es lo que se conoce como modelo Stick-Slip.27-29 Cuando esta variación del coeficiente de fricción tiene lugar en superficies lubricadas, el fenómeno se conoce como efecto de Stribeck. En la literatura Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 (8) Tabla I. Funciones representativas para la descripción del efecto Stribeck. Función Exponencial (Tustin 1947) Expresión matemática Exponencial Generalizada (Bo & Pavelescu 1982) Laurentziano (Hess & Soom 1990) Gausiano (Armstrong & Hálouvry 1991) DESARROLLO EXPERIMENTAL El desarrollo experimental de este trabajo se desarrolló en el Laboratorio de Dinámica Estructural del Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica de la FIME. Las características del equipo utilizado para las diferentes configuraciones de montaje experimental se enlistan a continuación: • Excitador electrodinámico LDS; modelo: V408 10/32 HNF-CE. • Acelerómetro KISTLER; sensibilidad 10.77 mV/g; tipo: 8778A500M14. • Acelerómetro KISTLER; sensibilidad 10.47 mV/g; tipo: 8778A500M14. 23 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. • Cabeza de Impedancia PCB Piezontronics; sensibilidad 101.2 mV/g; tipo 288D01. • Amplificador LDS PA100E. • Tarjeta de adquisición de datos DATA PHYSICS QUATTRO. • Estación de Trabajo HP. • Software SignalCalc, ME’scope y MatLab. Las pruebas fueron realizadas en 5 resortes de cable con diferentes configuraciones, como se enlistan a continuación y se aprecia en la figura 2. a) Resorte de hoja Enidine CR4-400. b) Resorte Advanced Antivibration Components V10Z69-0937290. c) Resorte de hoja Enidine CR1-400. d) Resorte Helicoidal Advanced Antivibration Components WR280010D. e) Resorte Helicoidal Advanced Antivibration Components V10Z0-0625150. Se estudió la variación del amortiguamiento usando dos métodos distintos. El primer método implica la excitación de los resortes con una fuerza armónica sinusoide a baja frecuencia para encontrar la relación fuerza deformación en el proceso de tensión-compresión, es decir, medir los lazos de histéresis y estimar el amortiguamiento en función del área de los lazos a diferentes amplitudes. Para el primer método, las familias de lazos Fig. 2. Muestras de los resortes utilizados en la experimentación. 24 de histéresis se encontraron en base al montaje experimental presentado en la figura 3. En este caso, un extremo del resorte se fijó a una superficie inmóvil mientras que se aplicó la excitación al otro extremo mediante el actuador electrodinámico. Los resortes fueron comprimidos una cierta distancia inicial, mientras que se variaba el voltaje (Vrms) de la señal de excitación generada por el actuador a una frecuencia de 5Hz para los resortes V10269-0937290, CR1-400, CR4-400 y de 10Hz para los resortes WR280010D y V10Z0-0625150, ambas frecuencias fueron seleccionadas por ser suficientemente bajas para minimizar los efectos inerciales derivados del excitador electrodinámico. Fig. 3. Esquema del set y flujo de información para la obtención de la familia de lazos de histéresis. Se utilizó un transductor de impedancia mecánica 288D01 PCB PiezoTronics, para registrar los valores de fuerza y aceleración que experimentan las muestras al ser excitadas. Posteriormente, la señal de aceleración debió ser doblemente integrada numéricamente para extraer la información de la señal en forma de desplazamiento, con el objetivo de observar los lazos de histéresis. Los componentes de corriente directa (DC), relacionados con la constante de integración, en las señales de aceleración almacenadas causan generalmente distorsiones al integrar la señal. Para eliminar dicho efecto se utilizó un filtro de pasa alta y se realizó el proceso de integración en el software ME’Scope.16 El segundo método considera excitación por la base con una señal de banda ancha para medir la respuesta en frecuencia y estimar el amortiguamiento realizando un ajuste de curva en la zona de resonancia de la Función de Respuesta en Frecuencia (FRF). En Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. este caso, se sometió a una señal de aceleración aleatoria de banda ancha, mejor conocida como ruido blanco, variando la amplitud en un rango desde 0.5 hasta 4Vrms con incrementos de 0.5V generados en la salida del analizador con una carga estática constante. Posteriormente se incrementó el valor de la carga estática y se repitió el ciclo de variación de amplitud hasta alcanzar una carga máxima, determinada por la rigidez del resorte en cuestión que se presentan en la tabla II. La figura 4 muestra el esquema experimental usado en las mediciones. Tabla II. Magnitudes de la carga estática utilizadas para cada muestra a lo largo de las pruebas experimentales. Muestra V10269-0937290 Carga estática (kg) 0.766 0.435 0.345 0.69 CR4-400 0.369 0.345 0.1 CR1-400 WR280010D V10Z0-0625150 0.062 0.03 0.5857 0.3439 0.5857 0.3439 SignalCalc para obtener la función de respuesta en frecuencia (FRF) de cada prueba. En base a las FRF capturadas se determinó el amortiguamiento fraccional ζ, la frecuencia natural ωn y el factor de pérdida η de cada prueba mediante un algoritmo de ajuste de curva del diagrama de Nyquist. RESULTADOS La familia de lazos de histéresis de cada muestra puede apreciarse en las figuras 5-9. Cada curva representa el comportamiento del resorte al transcurrir un ciclo, com se muestra en la figura 5, el ciclo comienza en el extremo izquierdo del lazo, en este punto el resorte se encuentra comprimido una distancia 3.2 mm, al comenzar a descomprimirse el resorte comienza a suavizarse, es decir, la fuerza de reacción que ejercía comienza a disminuir hasta volverse nulo (punto (-2, 0)). Superando dicho punto, el resorte comienza a experimentar una fuerza de tensión y la fuerza de reacción comienza a incrementarse hasta llegar a su valor máximo dictado por el desplazamiento máximo que sufre, 2.9 mm; se observa que al tensionarse, existe un número mayor de puntos de contacto entre las hebras por lo que tiende a volverse más rígido. El movimiento se reanuda y el resorte comienza a liberar la tensión, y así mismo para el caso de la compresión, la fuerza de reacción comienza a decrecer hasta volverse nula para posteriormente comprimir el resorte, el cual, tiende a endurecerse hasta alcanzar su valor máximo, completando así el ciclo. El área que se enmarca entre los lazos es una medida de la cantidad de energía que se disipa durante el ciclo tensión-compresión. Fig. 4. Montaje experimental para la obtención de la FRF a partir de una excitación de ruido blanco. Se colocaron dos acelerómetros, uno en la base del resorte que colindaba con el excitador electrodinámico y otro en la placa superior del resorte, donde se registraron las historias en tiempo. Posteriormente la información fue procesada utilizando el software Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 Fig. 5. Familia de lazos de histéresis de la muestra V10269-0937290. 3Vrms; 2.5Vrms; 2Vrms; 1.5Vrms; 1Vrms. 25 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. Los resultados obtenidos se muestran en las figuras 10-14 presentan al amortiguamiento fraccional como una función del voltaje Vrms de la señal que alimentaba al excitador electrodinámico, obtenido por el método de respuesta en frecuencia. Fig. 6. Familia de lazos de histéresis de la muestra CR1400. 3Vrms; 2.5Vrms; 2Vrms; 1.5Vrms; 1Vrms. Fig. 10. Variación del amortiguamiento fraccional en función del voltaje Vrms de la señal de excitación de la muestra V10269-0937290. Carga estática 0.766kg; 0.435kg; 0.345kg; 0kg. Fig. 7. Familia de lazos de histéresis de la muestra CR4400. 3Vrms; 2.5Vrms; 2Vrms; 1.5Vrms; 1Vrms. Fig. 8. Familia de lazos de histéresis de la muestra V10Z700625150. 3Vrms; 2.5Vrms; 2Vrms; 1.5Vrms. Fig. 9. Familia de lazos de histéresis de la muestra WR280010D. 3Vrms; 2.5Vrms; 2Vrms; 1.5Vrms; 1Vrms. 26 Fig. 11. Variación del amortiguamiento fraccional en función del voltaje Vrms de la señal de excitación de la muestra CR1-400. Carga estática 0.62kg; 0.03kg; 0kg. Fig. 12. Variación del amortiguamiento fraccional en función del voltaje rms de la señal de excitación de la muestra CR4-400. Carga estática 0.69kg; 0.369kg; 0.345kg; 0.1kg; 0kg. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. Fig. 13. Variación del amortiguamiento fraccional en función del voltaje rms de la señal de excitación de la muestra V10Z0-0625150. Carga estática 0.6857kg; 0.3439kg; 0kg. Fig. 14. Variación del amortiguamiento fraccional en función del voltaje rms de la señal de excitación de la muestra WR280010D. Carga estática 0.5857kg; 0.3439kg; 0kg. DISCUSIÓN Los resultados del cálculo de amortiguamiento en base a los lazos de histéresis se muestran en la figura 15. Como se puede apreciar en las figuras 5-9, el área del lazo de histéresis depende de tres factores: el desplazamiento máximo, la fuerza de reacción máxima y la no linealidad de la curva. La relación que guarda el área del lazo de histéresis con la variación de dichos parámetros está dictada principalmente por la no linealidad de la curva. Para calcular la energía que se disipa, se calcula un factor de pérdida basado en la relación del área del lazo y el área máxima que el lazo podría tener, esto es: (9) Donde πFmax Dmax son el área de una elipse, el área máxima que se puede obtener. Retomando el ejemplo anterior, la figura 5, al incrementar el desplazamiento máximo y la fuerza de reacción máxima, tanto el Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 Fig. 15. Curva de amortiguamiento fraccional en función del voltaje Vrms de la señal de excitación de las diferentes muestras: CR4-400; V10269-0937290; CR1-400; V10Z700625150; WR280010D. área del lazo de histéresis, como el área que denota la cantidad máxima de energía que el sistema puede disipar tienden a incrementarse. Aunque ambas áreas tienden a aumentar, al incrementar la potencia de la señal que les excita, la proporción con la que aumenta su área no es la misma. Para el caso de la figura 6 el área del lazo de histéresis se desarrolla en una relación mucho menor al incremento del área máxima, y el amortiguamiento tiende a decrecer conforme los factores se aumentan. Mientras que las figuras 5, 7 y 8 muestran un comportamiento inverso, el área del lazo tiende a crecer en una proporción mayor al del área máxima, lo que produce que el amortiguamiento se eleve al incrementar dichos factores. Al comparar estos datos se denota que los resortes CR4-400 y WR280010D entran en discrepancias. Sin embargo, hay que recordar que para la obtención de los lazos de histéresis los amortiguadores fueron comprimidos una cierta distancia x, lo cual produce una condición de precarga, es decir, el resorte ejerce una fuerza de reacción diferente de cero. Se cree que si dicha fuerza es mayor a la fuerza de saturación al incrementar el voltaje de la señal de excitación el amortiguamiento decrece. Lo que se observa es, en realidad, la mitad de una curva simétrica. La saturación o el punto máximo de energía que el sistema disipa, está en relación directa con la no linealidad de las curvas y la proporción en la que incrementa una con respecto a la otra. De forma física lo que se observa es que existe un punto en el cual, al estirar o comprimir más el resorte, el rozamiento interno de las hebras disminuye. 27 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. Para el caso de los resultados de amortiguamiento en base a la medición de la respuesta en frecuencia, presentados en las figuras 10 a la 14, se observa claramente que el factor común entre las curvas es el incremento del amortiguamiento fraccional al elevar la amplitud del voltaje Vrms de la señal de excitación. Únicamente en el caso del resorte V10269-0937290 (figura 10) se aprecia que después de alcanzar un valor máximo, el amortiguamiento decrece de manera brusca al continuar incrementando el voltaje de la señal de excitación. Al incrementar el voltaje de la señal de excitación, la amplitud de la aceleración que emite el excitador electrodinámico aumenta, de forma que, una mayor cantidad de energía es transmitida hacia el amortiguador, el cual es capaz de disipar una cierta cantidad máxima de energía, tal y como ocurre en el caso del amortiguamiento viscoso. Retomando el concepto de amortiguamiento fraccional, se sabe que su valor está relacionado con una cantidad crítica o máxima: (10) De igual forma el amortiguamiento de Coulomb tiene un valor máximo de energía que puede disipar, dada por la carga estática máxima que el resorte soporta: (11) La fuerza máxima normal que interesa es la que perciben las hebras. Por su configuración la fuerza normal que resiente cada una depende del punto de contacto y de la distribución de la carga. Sin embargo, la fuerza de fricción máxima que resiente el sistema depende del número de puntos de contacto que existan; a mayor cantidad mayor será la fuerza requerida para iniciar el movimiento. Cuando el sistema se comprime, existe un número menor de puntos de contacto, las hebras tienden a separarse, 18, 19 y el sistema permite el deslizamiento de las mismas con mayor facilidad, por lo que al aumentar la energía añadida al sistema a través de una señal de excitación, el rozamiento entre las hebras aumenta. Sin embargo, existe un punto de saturación donde al añadir más energía, el movimiento interno de las hebras se inhibe, como se observa en la figura 10, cuando el amortiguamiento decrece a partir de 2 Vrms. 28 La variación de la carga estática no afecta significativamente ni la forma ni la magnitud de las curvas. Para los casos de los resortes V10Z69-0937290 y CR1-400 (figuras 10 y 11) el amortiguamiento varía alrededor del 15% de un punto a otro dentro de una misma amplitud de voltaje Vrms de la excitación. La configuración del resorte CR4-400 (figura 12) tiene una rigidez estática baja y no lineal por lo que resulta más sensible a la variación de la carga estática, dato que se refleja en una variación más pronunciada del amortiguamiento entre una curva a otra, mientras que no se ve afectada la forma de la curva, sino únicamente la magnitud de la variable. Nótese que al ser pequeña o nula la carga, el amortiguamiento tiende a ser muy reducido, por lo que debe existir una carga mínima, o bien, una amplitud de excitación mínima a partir de la cual el amortiguamiento comienza a ser efectivo. Al ser elementos no lineales, los amortiguadores de cable tienen una correlación entre la fuerza máxima o la carga estática máxima que soporta y la deformación del resorte. En efecto, si la fuerza de excitación es menor a la fuerza de fricción que actúa paralela a la superficie de contacto Ff, entonces no existe un rozamiento entre las hebras del cable del resorte y el amortiguamiento tiende a ser débil. Si se traza el amortiguamiento fraccional en función del voltaje de la señal de salida (figura 15), resulta que las curvas son extremadamente cercanas a lo que se obtuvo mediante el método de ajuste de curvas por el método de Función de Respuesta en Frecuencia. Aun así, las curvas no son equivalentes y en un sentido estricto no deben de compararse directamente, pues al excitar un sistema no lineal con una señal de ruido blanco los efectos no lineales del sistema tienden a aminorarse, mientras que al excitar el sistema con una señal sinusoidal, los efectos no lineales se vuelven más evidentes. CONCLUSIONES Se presentó en este artículo un análisis de los trabajos más relevantes en cuanto a aislantes de fricción seca y sus aplicaciones potenciales para el aislamiento de vibración por impacto, así como la teoría fundamental de amortiguamiento de Coulomb. En base a estos antecedentes, se estudió Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. experimentalmente la respuesta de diferentes tipos de aislantes de cable a dos tipos de excitación para determinar el amortiguamiento. En este estudio se corroboró que el amortiguamiento en aislantes de fricción seca puede cuantificarse a partir de métodos clásicos como lo son el Diagrama de Nyquist y la medición de los lazos de histéresis. Los resultados de ambos montajes experimentales muestran valores y tendencias similares, aunque al comparar directamente los resultados de ambos métodos es erróneo, pues al excitar un cuerpo con una señal de ruido blanco los efectos no lineales no se aprecian en su totalidad. REFERENCIAS 1. Mercer, C.A. and Rees, P.L. (1971). An optimum shock isolator. Journal of Sound and Vibration. (Number 18). Vol. 4. Pages 511-520. 2. Snowdon, J.C. (1963). Transient response of nonlinear isolation mounting to pulselike displacements. The Journal of the Acoustical Society of America Vol. 35. (Number 3). Pages 389-396. 3. Snowdon, J.C. (1962). Incidence and prevention of damage due to mechanical shock. The Journal of the Acoustical Society of America Vol. 34. (Number 4). Pages 462-468. 4. Snowdon, J.C. (1961). Response of nonlinear shock mountings to transient foundation displacement. The Journal of the Acoustical Society of America Vol. 33. (Number 10). Pages 1295-1304. 5. Snowdon, J.C. 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En este trabajo, se presenta un estudio numérico de la transmisión y reflexión de luz en guías de onda rectangulares, considerando modulaciones del índice de refracción en el núcleo de la guía de onda, estructuras periódicas y quasiperiódicas conocidas como ThueMorse, Fibonacci. El método utilizado es el de la matriz de transferencia. Los resultados pueden ser aplicados a sistemas de transmisión de datos, filtros ópticos, sensores, moduladores y al diseño de láseres con ancho espectral deseado. PALABRAS CLAVE Guías de onda, Estructuras intrínsecas, Periódicas, Cuasi-periódicas, Fibonacci, Thue-Morse. ABSTRACT Currently, miniaturization, lightness and speed of data transmission have been considered fundamental topics in several research groups for its application to future communication systems. The technology based on planar wave guides is a promising way for transmission systems at 100 Gbits/s, due to its excellent optical characteristics, high reliability and reproducibility. In this paper, a numeric study of the transmission and reflection of light in planar wave guides is presented, considering refractive index modulation in the core of the planar waveguide, and also considering periodic and quasi-periodic structures known as Thue-Morse, Fibonacci. The method used is the transfermatrix method. The results can be applied to data transmission systems, optical filters, optical sensors, optical modulators and to the implementation of lasers with a desired spectral width. KEYWORDS Waveguide, intrinsic structure, Quasi periodic structure, periodic structure, Fibonacci, Thue-Morse. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 31 �Transmisión de luz en guías de onda con esctructuras intrínsecas al núcleo / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. INTRODUCCIÓN En la ingeniería de telecomunicaciones es primordial el estudio de la propagación de ondas electromagnéticas entre diferentes medios, un caso común es el de una señal propagándose en el aire y después por algún medio dieléctrico, o material compuesto dieléctrico-metal y así propagarse, para ser finalmente detectada. En el caso óptico los sistemas de propagación son integrados en un chip dentro del cual se tienen diferentes medios dieléctricos y el control de la propagación de la luz en dichos medios es parte fundamental para lograr sistemas de alta eficiencia en cuanto a la razón señalruido y el bajo consumo energético. Los últimos años, diversos grupos de investigación han reportado a las guías de onda (rectangulares y cilíndricas) como el perfecto medio de propagación electromagnético, revolucionando el campo de la óptica integrada al convertirse en un dispositivo óptico pasivo imprescindible en la manipulación de luz,1 líneas de transmisión2 y sensado de variables termodinámicas o mecánicas.3 Guía de onda Una guía de onda es cualquier estructura física a través de la cual las ondas electromagnéticas se propagan o permanecen confinadas.4 El haz de luz debe cumplir con las siguientes condiciones: reflexión total interna y autoconsistencia para propagarse dentro de la guía de onda rectangular, con el fin de seguir alguna de las trayectorias delimitadas por sus paredes. En este trabajo se contempla la guía de onda rectangular envuelta por un revestimiento con índice de refracción menor que el del núcleo con el fin de Fig. 1. Guía de onda rectangular. 32 cumplir la reflexión total interna, se estudia el caso particular variaciones del índice de refracción, como se muestra en la figura 1. MARCO TEÓRICO El análisis de la transmisión de luz en guías de onda se realizó aplicando el Método de la Matriz de Transferencia. Este método parte de las ecuaciones de Maxwell para el cálculo de las magnitudes del campo magnético y eléctrico. Se parte asumiendo un medio isotrópico, homogéneo y no conductor, por lo que se tiene que: (1) donde H es el campo magnético, E es el campo eléctrico, D y B son la densidad de flujo eléctrico y magnético respectivamente D=εE y B=μH, mientras que ε es la permitividad eléctrica y μ es la permeabilidad magnética. Se obtienen dos ecuaciones con polarización Transversal Eléctrico (TE) y Transversal Magnético (TM). Para este trabajo es despreciable la polarización del campo TM debido a que se considera invariante con respecto a la componente perpendicular al campo debido a las dimensiones. El campo satisface la ecuación de Helmholtz unidimensional, dada por: (2) donde U es la amplitud compleja del campo para la polarización TE y kc=(ω√εμ)/c representa la constante de propagación. La solución general para la ecuación (2) se plantea de la forma: (3) donde R^((+)) y R^((-)) son ondas viajeras en direcciones opuestas que representan en este caso a la amplitud transmitida y reflejada del campo eléctrico, respectivamente. Si se considera un medio homogéneo con longitud l, es decir variando de z=0 a z+l e índice de refracción Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Transmisión de luz en guías de onda con esctructuras intrínsecas al núcleo / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. n, las amplitudes de campo se pueden representar de la siguiente manera: y en forma matricial es llamada matriz de propagación de un medio homogéneo y queda como sigue: (4) y en términos de los campos eléctricos y magnéticos quedaría: propagación de ondas electromagnéticas en la interface de un medio n1 a un medio n2 están dadas por: (8) donde los subíndices 1 y 2 representan el medio analizado, considerando z=0 en la interface entre el medio 1 y el medio 2, y denotando en forma matricial las ecuaciones se tiene que: (5) (9) donde la amplitud del campo reflejado y transmitido en z+l, en función de la distancia z, que en forma matricial es: el par de subíndices de la Matriz M12 indican el cambio de interface del medio 1 al medio 2, los elementos de la matriz están dados por: (10) (6) y la matriz que relaciona las amplitudes que se propagan a través de un medio homogéneo está dada como: (7) Propagación del campo electromagnético a través de una interface Si se analizan dos medio homogéneos consecutivos en dirección z, con frontera en z=0. El primer medio con índice de refracción n1 y el segundo medio un n2, tal como se muestra en la figura 2. Con el fin de modelar la interface del medio homogéneo del que ha perdido la homogeneidad se conduce a las ecuaciones que describen la (11) Tomando en cuenta que ambos medios son dieléctricos y n=√(μ), (10) y (11) se pueden representar como: Partiendo de (8) y considerando solo las reflexiones por el medio 1, se obtienen los coeficientes de reflexión y transmisión, quedando: (12) (13) Fig. 2 Propagación de una onda plana a través de la interface entre dos medios con diferente índice de refracción. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 TRANSMITANCIA Y REFLECTANCIA La transmitancía (T) y reflectancía (R) se definen como la razón de flujo (o potencia) transmitido o reflejado.5 Si el ángulo de incidencia del haz de luz θ_i=0, T y R puede representarse con los coeficientes de transmisión y reflexión: R=|r|^2, T=|t|^2. 33 �Transmisión de luz en guías de onda con esctructuras intrínsecas al núcleo / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. Con el objetivo de cumplir con la conservación de energía, el sistema propuesto debe cumplir: R+T=1. (14) Método de la matriz de transferencia Este método funciona a partir de multiplicaciones matriciales. Los productos se generan a partir de la matriz de propagación en un medio homogéneo (7) y la matriz de propagación en una interface (9) según corresponda. Cada multiplicación indica un cambio en las magnitudes reflejadas y transmitidas, obteniendo finalmente: (15) Donde N es el total de interfaces con medios homogéneos. La manipulación matricial (15) es considerada para el sistema multicapa, donde el cambio de interfaces es característico de las rejillas de Bragg, quedando como sigue: (16) que el cambio en el índice de refracción se refiere a la inclusión de rejillas de Bragg7,8 en el núcleo, como se observa en la figura 3. Fig. 3. Geometría con secuencia Fibonacci. Thue Morse La secuencia Thue-Morse (Allouche and Cosnard 2000) es una secuencia binaria (de una secuencia infinita de 0 y 1) iniciando con 0 y añadiendo sucesivamente el complemento booleano de la secuencia obtenida hasta el momento. Este procedimiento produce la siguiente secuencia: 01, 0110, 01101001, 0110100110010110 y así sucesivamente, en términos físicos 1 o A, corresponde a no variación del índice de refracción, mientras que 0 o B corresponde a rejillas de bragg, como se muestra en la figura 4. donde M12 y M21 tienen la estructura de la ecuación (9) yMlong1 y Mlong2 tienen la estructura de la ecuación (6). Para propósitos del presente trabajo, es considerada la incidencia normal. ESTRUCTURAS CUASI-PERIODICAS En este trabajo, se analiza el desempeño de dos sucesiones cuasi-periódicas: Fibonacci y Thue Morse.6 Fibonacci El concepto fundamental de la sucesión de Fibonacci es que cada elemento es igual a la suma de los dos anteriores, siendo definido por la ecuación: f_n=f_(n-1)+f_(n-2), partiendo de los valores iníciales n=0 y n=1. Para este trabajo se implemento A como longitud en la guía de onda sin cambio en el índice de refracción y B para la longitud con cambio en el índice de refracción de la guía de onda, es importante aclarar 34 Fig. 4. Geometría con secuencia Thue-Morse. MODELO NUMÉRICO La geometría propuesta para analizar la transmitancía de las diferentes estructuras propuestas se ilustra en la figura 5, donde A es la longitud de guía de onda con índice de refracción homogéneo y B es la longitud de la guía de onda Fig. 5. Geometría del modelo numérico en la guía de onda. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Transmisión de luz en guías de onda con esctructuras intrínsecas al núcleo / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. Los parámetros que se involucran en el estudio y análisis de la transmisión y reflexión de luz que se describe en este trabajo se presentan en la siguiente tabla. Los parámetros que se involucran en el estudio y análisis de la transmisión y reflexión de luz que se describe en este trabajo se presentan en la siguiente tabla. Tabla I. Parámetros, descripción y valor de las variables utilizadas en los cálculos numéricos. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Secuencias periódicas En la figura 6 incisos a), c) y e), se presentan las curvas de reflectancía de luz a través de una estructura con secuencia periódica, mientras que a y b muestras el espectro de reflectancía y transmitancía para NN=1, c y d para NN=5 y por ultima, e y f para NN=8. Se observa que la región de máxima reflectancía se encuentra localizada en todos los casos en 1500.075 nm, conforme aumenta el número de capas (NN) aumenta el número de frecuencias que son filtradas (líneas delgadas) y aumenta el ancho espectral de reflectancía y transmitancía. Cada una de la forma de los espectros, tal como ancho espectral, pico espectral y ancho de línea espectral es posible controlar mediante los parámetros que se presentan en la tabla I. En este tipo de arreglo es importante notar que las líneas de ancho espectral permanecen periódicas. Fig. 6. Gráfica que muestra las curvas de reflexión y transmisión con estructuras periódicas intrínsecas a la guía de onda, se ilustra con NN=1, 5 y 8. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 35 �Transmisión de luz en guías de onda con esctructuras intrínsecas al núcleo / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. Realizar cálculos numéricos de secuencias periódicas, además de caracterizar el sistema permite identificar las características del sistema con parámetros similares. Secuencias Cuasi-periódicas En la figura 7 se presentan una tabla con curvas de reflexión de luz a través de diversas estructuras cuasi periódicas, en la columna (a) se ilustran las diferentes geometrías que numéricamente fueron inducidas en el núcleo de las guías de onda, en la columna (b) se muestran los espectros de reflexión para 2 capas (NN=2), en la columna (c) 5 capas y en la (d) NN=8. En la fila 1 se observa las curvas al inducir la estructura periódica, en la 2 los espectros de reflexión para estructuras con secuencia ThueMorse y en la fila 3, los espectros de reflexión de secuencias fibonacci. Discusión de resultados En la secuencia periódica, el espectro de reflexión coincide con los ya reportados en la literatura para NN=2, esta secuencia se realizo numéricamente como una forma de calibración del modelo numérico, en la figura 7, fila 1 se observa que a medida que aumenta el número de capas las líneas espectrales se vuelven más delgadas y aparecen líneas en donde no existían a lo largo del espectro de reflexión. En la secuencia Thue-Morse, el espectro de reflexión para NN=2m se observa muy localizado y con lóbulos laterales en 1500.075nm, a medida que aumenta el número de capas los lóbulos empiezan a crecer y líneas muy delgadas empiezan a formarse, para NN=8 las líneas espectrales de reflexión son muy delgadas. En la secuencia Fibonacci, se observa que a medida que aumenta el número de capas el espectro de reflexión aumenta en magnitud y las líneas espectrales que aparecen son significativamente más estrechas lo que permite aumentar la sensibilidad o selectividad del sistema óptico, aún más que con la estructura Thue-Morse. CONCLUSIONES En este trabajo se ha demostrado que los sistemas con estructuras ordenada tipo Fibonacci y Thue- 36 Morse tienen importantes propiedades físicas. Sus espectros de transmisión son caracterizados por la forma, tamaño y ancho de las líneas de reflexión. Los espectros de reflexión presentan una gran cantidad de líneas localizadas cuya existencia se debe a la cuasiperiodicidad de las estructuras inducidas en el núcleo de la guía de onda. Todos los sistemas fotónicos presentados en este trabajo pueden ser controlados mediante la variación de los parámetros presentados en la tabla I. Para cada sistema óptico se tiene una posición y ancho del máximo espectro de emisión. En cada uno de las estructuras propuestas se tienen una diversa gama de aplicaciones que pudieran ser cubiertas, cambiando los parámetros de propagación, tales como: índice de refracción de la guía de onda, ancho de la guía de onda, longitud entre parte homogénea y no homogénea, numero de capas y tipo de geometría, lo que resulta una ayuda para identificar los requerimientos necesarios para tener el espectro de reflexión necesario. Los resultados pueden ser aplicables a sistemas de comunicaciones ópticas, filtros, laseres, compensadores de dispersión, sensores, moduladores, multiplexores, acopladores, moduladores y a la implementación de láseres con ancho espectral deseado, que van desde la aplicación industrial, científica y médica que en últimos años han sido grandemente explotados. El estudio de estas estructuras en la propagación de datos, puede ser de enorme ayuda para la implementación de compuertas lógicas completamente ópticas. REFERENCIAS 1. Schultze, M., Controlling dielectrics with the electric field of light Nature 493,75-78, (2013). 2. Blanco-Redondo, A., Coupling mid-infrared light from a photonic crystal waveguide to metallic transmission lines, Appl. Phys. Lett, 104,011105 (2014). 3. Ning Yang, Optical fiber temperature sensor based on optical fiber delay Proc. SPIE, Fourth Asia Pacific Sensor Conference (2013). 4. R. Pelster, V. Gasparian and G. Nimtz, Propagation of plane waves and of waveguide modes in quasiperiodic dielectric heterostructures, Physical Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Transmisión de luz en guías de onda con esctructuras intrínsecas al núcleo / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. Review E, 55(6), 7645-7656, (1997). 5. Hecht and Zajac, Fundamental of photonics; (1974). 6. A. S. Besicovitch, Almost periodic functions Dover Publications, (1954) Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 7. Raman Kashyap, Fiber Bragg Gratings, Academic Press, (1999). 8. Hill, K.O., Meltz, G., Fiber Bragg Grating Technology Fundamentals and Overview, Journal of lightwave technology, 15(8), (1997) 37 �Microwave ovens and food safety: Preparation of notready-to-eat products in standard and smart ovens Robert F. Schiffmann R. F. Schiffmann Associates, Inc., 149 West 88 Street, New York, NY 10024 USA ABSTRACT The introduction of several Not-Ready-to-Eat (NRTE) products, beginning in 2007, has resulted in several recalls and has caused serious concerns about their safe-cooking in microwave ovens. These products are not fully-thermally processed prior to sale but depend upon the consumer to finish cooking them to the safe minimum temperatures, defined by the USDA, in order to destroy any sources of foodborne illnesses. While microwave ovens are a primary means of this finish-cooking step, they are known to cook foods unevenly in terms of temperature distribution, especially from a frozen state, and this may cause parts of the food to be below the required safe-temperature. Hence there are concerns regarding how reliably microwave ovens can provide the minimum required safe temperatures in order to avoid the possibility of foodborne illnesses. To determine this, temperature profiling tests were performed upon three frozen NRTE entrées, heating them in eight new brand-name 1100-watt and 1200watt microwave ovens in order to evaluate how well the minimum temperatures were reached throughout the products. By comparison, these same tests were repeated using three “smart” microwave ovens in which internal computercontrol makes them user-independent. In addition, a comparison was also made of the microwave output power claimed by the manufacturers of these ovens to that determined using the IEC procedures. KEYWORDS Microwave ovens, Not-Ready-to-Eat food, NRTE, smart microwave ovens, foodborne illness, food safety, frozen foods. RESUMEN La introducción de varios productos Not-Ready-To-Eat (NRTE, comida precocida), a comienzos del 2007 ha resultado en algunas reclamaciones y ha provocado serias preocupaciones sobre la cocción final en hornos de microondas. Estos productos se procesan parcialmente antes de su venta y requieren que se complete su cocción antes de consumirlas. Este proceso depende del consumidor y deben alcanzar las temperaturas mínimas de seguridad definidas por la USDA (United States Department of Agriculture), para así erradicar cualquier fuente de enfermedades de origen alimenticio. Mientras que los hornos de microondas son un medio primario para este paso de la preparación final, se sabe que cocinan los alimentos con una distribución irregular de temperatura, especialmente desde 38 Artículo publicado en el Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, Vol. 47, No. 1, Año 2013. Reproducido con permiso del JMPEE y del autor. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. un estado congelado, y esto puede causar que partes del alimento estén debajo de la temperatura mínima, y hay preocupación en relación de la confiabilidad que puedan ofrecer los hornos de microondas para alcanzarlas las temperaturas correctas. Para evaluar lo anterior, se efectuaron pruebas de perfil térmico de temperatura a tres platillos congelados NRTE, calentándolos dentro de ocho hornos de microondas nuevos de 1100–watt y 1200-watt para evaluar que tan bien alcanzaron los productos las temperaturas mínimas. Por comparación, estas mismas pruebas se repitieron utilizando tres hornos de microondas “inteligentes” en los cuales un control computarizado interno los hace independientes al usuario. Además, se comparó la potencia del horno de microondas estipulada por los fabricantes con la determinada por los procedimientos utilizados de la IEC (International Electrotechnical Commission). PALABRAS CLAVE Hornos de Microondas, Alimentos Not-ReadyTo-Eat, NRTE, Hornos de Microondas Inteligentes, Enfermedades Alimentarias, Seguridad Alimenticia, Alimentos Congelados. INTRODUCTION Foodborne illness in the United States is a major concern. An assessment by the CDC, and published in December of 2010,1 estimated 48 million cases of foodborne illness annually in the USA, of which approximately 3,000 resulted in death. A major cause of foodborne illness is undercooking of food that has been contaminated by a food-pathogen. The USDA and others have published numerous guidelines for the minimum internal temperatures required to ensure food safety.2 These basically state that the minimum internal temperature must be 160º F to 170 ºF (71.11 °C to 76.66 °C) for meat and poultry; while 145 ºF (62.77 °C) is recommended for fish and seafood products. These are the “safe” temperatures referred to throughout this document. In the last five years, several food processors introduced “Not-Ready-to-Eat” (NRTE) products into the marketplace. These are products that are not fully thermally processed at the manufacturing facility and depend upon the consumer to finish cooking them to the safe temperature appropriate Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 for each product. By minimally processing these products, manufacturers believe that the eating quality will be improved over Ready-to-Eat (RTE) fully thermally processed products. Therefore, consumers are instructed to finish cooking these products to the safe temperature shown within the microwave cooking instructions on each product’s package. Microwave oven heating directions for these products are usually based upon 1100-watt or 1200-watt microwave ovens; consumers with lower wattage ovens are told to adjust the cooking times accordingly. B a s ed u po n U S C e n s u s f i g u re s , i t i s estimated that there are approximately 120 to 130 million microwave ovens in US homes. A 2011 Consumer Survey Report published by the International Microwave Power Institute 3 r eveal ed t hat 82. 1% of c onsum er s cl ai m to have microwave ovens with wattages of 900 watts or greater, which indicates that at least 17.9%, or over 20 million ovens, have outputwattages lower than 900 watts. How likely is a math-challenged consumer to be able to calculate the required increase in cooking time? There are many other questions regarding the safe heating of NRTE products, such as: If kitchen thermometers should be used to determine the final temperature of the food: only 58.9% of respondents to the IMPI 2011 Consumer Survey3 have a kitchen thermometer, of which, more than half are dial-type. Importantly, according to the same IMPI Consumer Survey of those who own kitchen thermometers, 58.1% indicated they never use it in conjunction with microwave prepared foods. As noted later in this paper, the power (wattage) that consumers claim to know may have little relationship to the actual output power. Microwave ovens heat foods very rapidly and unevenly, due to the non uniformities in microwave distribution within the oven and the changing dielectric properties of the foods during heating. Consumers often do not use sufficient standing time to allow for temperature equilibration by means of conductive heat transfer.4 This research explores how well 1100-watt and 1200-watt microwave ovens cook NRTE products 39 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. in terms of providing food safety, either by setting the parameters on standard ovens following the NRTE directions provided in the packages or allow the computer of the smart ovens, when available, to do that. MATERIALS AND METHODS Food Products Three well-known frozen NRTE entrée products were purchased in quantity from local supermarkets and transported to the laboratory in ice-containing coolers, where they were stored in a freezer at 5 °F (-15 ºC) for at least 24 hours prior to testing. This ensured equilibration of temperatures throughout each product. The products used in the tests were: Product # 1. Chicken breast with mashed potatoes and gravy. Product # 2: Beef cut in small pieces in a sauce and vegetable. Product # 3: Turkey breast with mashed potatoes, stuffing and gravy. Food safety criteria In conventional cooking, the maximum temperature achieved in the food is controlled by the cooking medium. For example, for boiling in water the maximum would be 212 °F (100 °C), while it might be as high as 500 °F (260 °C) for cooking in oil. In oven cooking methods such as baking and broiling, ovens are typically heated to 350 to 400 °F, this temperature, or one close to it, being achieved at the surface of the food; but the interior of the food is likely to be at a lower temperature resulting from conductive heat transfer from the hot surface. While these temperatures are likely to be higher then the minima required for the safe cooking, another important factor for destroying potentially harmful microorganisms is the time that the food remains at these temperatures. Conductive heat transfer in conventional cooking usually results in relatively uniform steady-state temperatures within the interior of foods. However, with microwaves the temperature at any location is largely dependent upon the permittivity of each one of the components in the meal, which results not only in how well the particular component heats, but 40 also the heat-penetration depth into that component. Because microwave heating is usually much more rapid than conventional heating methods, and that the temperature of air in the microwave oven is at, or close to the room temperature, there is little opportunity for conduction to reduce the thermal gradients within these food components, and that can result in large variations in temperature from site to site within each component. In this work it is assumed that reaching or exceeding the minimum cooking temperature recommended in the heating instructions for each product is enough for complying with the safety criteria, while the time at which these temperatures maintained is not considered. Therefore, it was very important to validate that temperatures were really above the safe values, while no tolerances are given regarding the readings. Standard Microwave Ovens Eight new microwave ovens, whose manufacturer declared that their power output was in the 11001200 watt category, were purchased from local retail stores. Table I is a list of those ovens as well as their model numbers and cavity-capacity, i.e. the cookingspace volume. Three of the ovens were equipped with a computer “smart” feature that was disabled and operated in standard mode in order to have the same setting conditions in the eight ovens. Then, the smart feature was enabled for conducting the second set of tests described in this work. Smart Microwave Ovens As explained above, three of the eight ovens had a computer-logic feature known as TrueCookPlus® (TCP), that was enabled for conducting the smart cooking tests to determine their ability to automatically set the oven conditions to safely cook the same three NRTE products. Nothing, but enabling the TCP was changed in the LG, Kenmore #1 and Kenmore #2 ovens (Table I). A “Smart” oven is defined as a microwave oven in which the cooking cycle is controlled by a computer-logic system internal to the oven. Here, the consumer needs only to input information about the product to be cooked in the form of a numeric code, typically 4 or 5 digits long and provided either on the food’s package or the TCP website, that determines the best cooking cycle Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. in terms of time and microwave power. For example, for a particular product, using the oven’s keypad, the consumer would input a numeric code, specific to the manner of heating a particular product and the oven’s logic system would covert that to a cooking cycle of X minutes @ power level 1, followed by Y minutes @ power level 2, and so on. Further, the logic system adjusts these heating directions for a particular model of microwave oven. The cooking cycle may also incorporate rest times during which there is no microwave power for a predetermined period of time between cooking periods or at the end of microwaving. Preparation of the microwave ovens Since the microwave power given by the manufacturer is an averaged number, it does not represent the actual output power of any specific oven. Therefore, an important initial step was to determine the actual microwave output of each oven. All ovens were tested three times each using a modified IEC 705 procedure. 1000 g ± 5 g of tap water @ 10ºC ± 0.1 °C, was heated for 62 seconds in a microwave oven operated at 120 volts The water was contained in the specified IEC borosilicate glass beaker (outside diameter 190 mm, thickness 3 mm, such as Pyrex #3140). The glass weight measured with an electronic balance (Acculab V1200 Digital Balance) and the ambient temperature were recorded. At the end of the heating cycle, following vigorous stirring with a glass stirring-rod, the temperature rise was measured using a thermocouple (Fluke Model 51, Series II thermometer and a Type K thermocouple: Fluke Corporation, Everett WA). This data was used to calculate the actual output. Table I. The eight microwave ovens used in the tests. GE Manufacturer LG FRIGIDAIRE Model # JES1142SJ LRMP1270ST (TCP oven) FFCM1134LS KENMORE #1 721.7915 (TCP oven) KENMORE #2 721.66339 (TCP oven) SHARP MAGIC CHEF EMERSON R-408LS MCD1311ST MWG9115SL Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 Since this test is to be run in a “cold” microwave oven (one that had not been operated for at least 8 hours) it could only be run once a day. In this case, it was run once on three different days for each microwave oven. A significant reduction in output power during the first several minutes of an oven’s use has been experienced. Because of this, each oven was pre-warmed prior to its use for testing the food products. The pre-warming step consisted of heating one-liter of water at full power, in a microwavable container, for 10 minutes, removing the water and allowing the oven to cool down with the oven’s door open for at least 15 minutes or until the turntable was no hotter than 27 ºC. If the oven was not used for one hour or more this preheating step was repeated. Microwave Cooking The preparation instructions for each product were provided on its package. Also indicated was that all instructions had been developed on 1100watt microwave ovens, and specific times indicated the number of minutes the product was to be cooked at high power. In addition, two of the products also gave cooking times for 700-watt ovens. Standing times of 1 to 2 minutes were recommended following microwave cooking. All three products indicated that for food safety “…ensure that the product reaches 160 °F”; or “…ensure that product reaches an internal temperature of 160 °F.” Despite these instructions, no product suggested using a kitchen thermometer to check if the product has reached 160 °F. The instructions for all products indicated ”Ovens vary” and that “cooking time may need to be adjusted”. Capacity (ft3) 1.1 1.2 Microwave power (watts) 1100 1200 1.1 1100 1.4 1100 1.5 1200 1.2 1200 1.2 1100 1.3 1100 41 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Test protocol Following the package cooking instructions exactly, each product was prepared and tested in each of the eight microwave ovens. The tests were run in triplicate, i.e. each product was tested three times in each microwave oven, and the order of testing was randomized. No product was run more than once a day in any oven. Samples were removed from the freezer, one at a time, and cooked in one of the eight pre-warmed microwave ovens. Smart oven tests of the three NRTE products used product-specific four-digit codes developed at the laboratory of Microwave Science JV LLC (Norcross GA). The TCP oven decompiler uses this code in the oven’s logic system to determine the proper cooking or heating cycle for each product by taking into account the oven’s thermal operating condition, elevation above sea level microwave performance characteristics and mains voltage environment in order to optimize the cooking cycle for that product. Temperature measurement At the end of the microwave cooking cycle, including the recommended standing time, the sample was removed from the oven and immediately placed in a rigid-foam holder constructed to hold that particular tray in a tight fit, thereby reducing heat loss during temperature measurement. Seven thermocouples (Omega JMTSS-062G, Type ‘J’ six inches length, 304 Stainless Steel sheath) were held using a “hedgehog” rig shown in Figure 1, and inserted into specific places within the food and temperatures were measured three times in rapid succession at the places noted in data tables. These thermocouples were linked to a custom-designed I/O system that instantaneously provided temperature data to a National Instruments (“NI”) SCB-68 shielded Input/Output connector block with cold-junction temperature compensation sensor. SCB-68 output was connected to an IBM M50 PC running on Windows XP Service Pack 3 within which an NI PCI-6011E Data Acquisition (“DAQ”) board was driven by NI DAQ software v. 7.42. NI 42 Fgure 1. A “Hedgehog” thermocouple array with the thermocouples placed within food components. Tray of NRTE product is placed into the rigid foam tray holder to reduce heat loss during temperature measurement. The thermocouples may be raised or lowered with the large handle. DAQ output was output directly to a custom programmed Excel spreadsheet). This procedure was repeated for all three NRTE products, and cooked in all eight ovens. RESULTS AND DISCUSSION Microwave output power Table II compares the manufacturers’ declared microwave power to that measured using the IEC705 procedure, and shows that all eight microwave ovens were significantly lower in “IEC” power than the declared wattages. These measured power outputs ranged from 70.9% to 87.8% of the manufacturer’s declared power, and that indicates that the manufacturers’ declared microwave power is unreliable as a cooking guideline and must be tested in any program involving the use of microwave ovens. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table II. Manufacturers’ vs. IEC-measured microwave power. Advertized Microwave Power (watts) IEC 705 Microwave Power* (watts) 1100 899 Frigidaire 1100 842 76.5 Sharp 1100 843 76.6 Magic Chef 1100 966 Manufacturer GE LG 1200 Kenmore #1 Kenmore #2 Table III. Influence of pre-warming microwave ovens GE 87.8 IEC 705* Microwave Power: Warm (watts) 84.5 T Test Comparison Cold vs. Warm 914 0.796 842 858 0.704 Sharp 843 842 0.425 Magic Chef 966 920 0.572 LG Frigidaire Kenmore #1 Kenmore #2 Emerson 899 74.8 929 * Average of three measurements made on different days. Manufacturer 74.9 897 1100 IE C 70 5* Microwave Power: Cold (watts) 70.9 899 1200 Emerson 81.7 851 1200 851 899 897 929 860 930 881 938 * Average of three measurements made on different days. Having tested many microwave ovens in the past 30 plus years, this discrepancy has been shown to be true.5 Table III shows that pre-warming of these ovens had little effect upon the IEC measured power; only one microwave oven, the Kenmore #1, showed a significant change at the 95% confidence level, in which case the warmed oven power was higher than the cold IEC power. Cooking in Standard Microwave Ovens Eac h one o f t h e p r oduct s is anal yz ed individually. Product #1 Chicken Breast: The temperature measurement data from these tests is shown in Table IV. As noted earlier, all tests were run three Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 % IEC vs. Manufacturer’s Power 0.669 Significance @ 95% confidence level NS NS NS 0.032 SIG 0.283 NS 0.718 NS NS NS times in each microwave oven and on different days. Since the manufacturer’s cooking directions stated 160 ºF as the minimum safe temperature, any temperature below this was given a “Fail” score, and this is indicated in Table IV by the blue boxes. A summary of these Fail temperatures is shown in the column “UNSAFE TEMPERATURES” that lists the number of under-temperatures in that test. In this case, Product # 1 was successfully cooked 100%, of the time, i.e. no unsafe temperatures, by only the Frigidaire oven. There was at least one temperature below the required 160 ºF minimum in all the other ovens, and GE, LG, SHARP and both Kenmore ovens failed in every test. Most failures to reach 160 ºF occurred in the Chicken Breast, with some also in the Mashed Potatoes. 43 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table IV. Product # 1: Chicken Breast: product temperatures after following cooking instructions. THERMOCOUPLE MICROWAVE OVEN GE 1 CHICKEN EDGE 127 AVERAGE TEMPERATURE (°F) @ EACH THERMOCOUPLE LOCATION 2 CHICKEN CENTER 139 3 GRAVY EDGE 181 4 GRAVY EDGE 195 173 6 MASH POT CENTER 7 MASH POT EDGE 189 189 156 194 “ 168 134 168 191 177 177 LG 125 173 187 182 196 159 192 203 “ 133 “ 136 FRIGIDAIRE 194 “ 189 “ “ KENMORE #1 183 118 120 143 193 195 193 163 195 207 192 198 200 97 165 184 109 194 185 “ 115 96 197 189 KENMORE #2 169 169 204 198 144 188 179 200 MAGIC CHEF 170 “ “ EMERSON “ “ 204 189 189 152 140 146 201 195 121 “ 188 197 140 159 173 190 SHARP “ 1 194 161 123 198 187 176 197 156 198 170 201 199 203 141 151 204 196 174 178 No unsafe temperatures were measured in the gravy, possibly due to the presence of salt, which significantly influences the heating rate. Product # 2: Beef. The results of these tests are shown in Table V, while no oven produced safe temperatures in every test, GE, Sharp, Emerson and 186 198 193 178 0 191 163 1 0 3 193 1 174 124 185 192 88 3 3 159 175 193 1 178 191 188 195 189 193 200 193 193 200 196 96 198 193 0 109 131 204 198 190 182 200 2 193 195 3 191 188 174 189 2 181 195 182 UNSAFE TEMPERATURES 2 191 199 “ 188 PASS TEMPERATURE = 160 °F 142 183 “ 44 5 MASH POT EDGE 190 191 194 197 184 195 169 201 165 198 196 3 179 2 193 1 195 197 189 196 194 1 0 0 0 2 2 both Kenmore ovens failed in everyone. Numerous unsafe temperatures were recorded in both the beef and the sauce. The very low temperatures in the center of the beef were likely due to the short depth of microwave-penetration in this food. Interestingly, all the temperatures in the Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table V. Product # 2: Beef: product temperatures after following cooking instructions. THERMO COUPLE: MICROWAVE OVEN GE 1 BEEF@EDGE CENTER AVERAGE TEMPERATURE (°F) @ EACH THERMOCOUPLE LOCATION 2 BEEF@CTR CENTER 3 BEEF@EDGE CENTER 4 SAUCE EDGE 142 135 186 185 144 131 198 95 “ 189 LG 160 193 “ 186 186 “ “ FRIGIDAIRE “ “ KENMORE #1 190 183 183 184 0 165 147 74 109 125 169 113 165 194 182 2 198 185 2 172 187 166 157 77 196 180 102 187 102 200 183 185 183 131 144 176 3 175 3 175 183 188 1 187 182 66 100 191 187 5 144 112 119 183 183 4 176 182 155 155 180 198 150 185 178 199 197 201 199 199 202 EMERSON 188 186 157 157 138 191 181 vegetable were considerably higher than the required minimum safe temperature, and often higher than the temperatures seen in the other food components, indicating the very good microwave receptivity of these vegetables. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 95 181 130 192 3 184 191 203 174 0 187 161 143 173 190 3 150 135 169 196 189 159 165 “ 187 104 188 “ “ 147 152 136 4 3 160 126 KENMORE #2 “ 162 184 193 161 203 185 193 138 159 MAGIC CHEF 162 196 “ “ 195 141 149 131 2 3 174 136 UNSAFE TEMPERATURES 187 169 186 194 PASS TEMPERATURE = 160 °F 191 191 190 193 7 VEGETBLE EDGE 123 181 SHARP “ 169 6 VEGETABLE EDGE 93 135 169 “ 134 170 150 “ “ 107 5 SAUCE EDGE 3 190 180 3 186 192 1 177 180 0 191 184 193 97 147 187 193 3 145 158 197 181 4 164 183 188 186 1 195 0 1 Product # 3: Turkey Breast. The results of the temperature tests are seen in Table VI. Here, unsafe temperatures were seen in every entrée component: turkey breast, mashed potatoes and stuffing, indicating the need for the manufacturer 45 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table VI. Product # 3: Turkey Breast: product temperatures after following cooking instructions. THERMO COUPLE: MICROWAVE OVEN GE 1 MASH POT EDGE 193 AVERAGE TEMPERATURE (°F) @ EACH THERMOCOUPLE LOCATION 2 MASH POT CENTER 203 3 MASH POT EDGE 4 STUFFING EDGE 5 STUFFING CENTER 199 201 200 204 148 “ 203 177 160 189 LG 197 164 183 203 175 149 “ 203 “ 190 FRIGIDAIRE 200 “ “ “ KENMORE #1 205 194 200 148 156 208 200 203 208 141 183 203 205 202 203 6 TURKEY CENTER 7 TURKEY EDGE PASS TEMPERATURE = 160 °F 158 199 2 178 202 202 159 195 199 118 199 205 204 200 190 199 193 202 204 202 201 201 205 204 203 202 200 0 189 202 0 201 200 143 195 176 145 194 SHARP 195 166 125 160 199 204 147 183 “ 164 KENMORE #2 185 “ “ “ MAGIC CHEF 166 180 202 182 205 191 147 146 200 198 148 2 172 200 192 197 195 201 201 180 196 159 202 190 199 198 1 181 200 0 125 194 132 198 198 201 200 205 199 205 200 EMERSON 204 199 200 200 204 198 195 “ “ 207 187 184 205 200 201 204 151 to reexamine the entire product. As in Product # 1, only the Frigidaire oven produced safe temperatures in each sample. The GE, LG and Sharp ovens all had at least one unsafe temperature in each of the three replicate tests. 46 198 207 202 202 196 139 205 201 1 150 “ “ 0 198 163 202 0 1 198 199 1 186 178 194 201 207 198 164 1 207 169 163 2 1 173 204 1 195 “ “ 198 UNSAFE TEMPERATURES 1 1 3 2 185 0 202 203 0 145 184 2 189 201 0 0 Despite carefully following of the manufacturer’s cooking instructions, the large number of tests performed in eight new 1100-watt and 1200-watt microwave ovens failed to produce safe cooking conditions for each food product in each oven. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. While taking great efforts to store, handle, cook and measure temperatures as carefully and reproducibly as possible, and running the tests in triplicate for each product in each microwave oven, none of the eight ovens was able to cook all of the products to a completely safe minimum temperature every time. These findings are summarized in Table VII, which shows the percentage of failure encountered in each oven, The best performance was seen in the Frigidaire microwave oven, which cooked two of the three products to the required minimum temperature every time, but then failed to achieve only safe temperatures in two of the three samples of the third product. The Magic Chef microwave oven failed in one of three samples in every product. Two GE and Sharp ovens performed particularly poorly since every sample of every product had at least one unsafe temperature. Based upon this, it is must be concluded that the cooking of NRTE frozen products in standard microwave ovens does not meet the criteria for food safety of reaching at least the minimum safe cooked temperature of 160 °F in every component every time. This means that consumers cannot be guaranteed safe cooking of these NRTE products in every microwave oven. Since it is important that microwave cooking guarantees safe temperatures for each NRTE product, and that the standard microwave ovens in the marketplace and in consumers’ homes are not likely to change, rather than removing these products from the marketplace, there are two possible approaches to achieve 100% food safety for NRTE products generally: (1) Improve the cooking performance of each NRTE product Manufacturers of NRTE products need to reexamine their products’ contents, design and heating instructions to improve the cooking performance across the vast number of microwave ovens being used by consumers. Given the dramatic difference in the size, wattage and other performance attributes of these ovens; and given the reluctance, and sometimes inability, of consumers to follow complicated instructions,3 the likelihood of success of this approach is small. (2) Improve the performance of microwave ovens. Over the years, there have been many attempts to improve the cooking performance of microwave ovens. One very intriguing approach is the development of “Smart” microwave ovens, as discussed in the Food Safety Forum at the 2011 IMPI Symposium #45. These ovens are controlled by internal computer logic to achieve optimum cooking results. This second approach is addressed by testing three smart ovens already described in the section Materials and Methods. Cooking in Smart Ovens The results of all the tests on the three products are shown in Tables VIII, IX and X. Note that there are no blue boxes in any Table, indicating that all the temperatures at every location, in every sample and for every oven exceeded at the required minimum temperature of 160 ºF. Table VII. % Failure of eight conventional microwave ovens. OVEN PRODUCT # 1 PRODUCT # 2 PRODUCT # 3 LG 100 67 100 GE Frigidaire Kenmore #1 100 0 100 Sharp 100 Magic Chef 33 Kenmore #2 Emerson 100 67 100 67 100 0 67 100 100 33 33 100 100 % Failure = (# replicates that failed / total number of replicates) x 100. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 100 67 33 47 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table VIII. Product # 1: Chicken Breast: product temperature after using TCP cooking code. THERMO COUPLE: 1 CHICKEN EDGE 2 CHICKEN CENTER 3 GRAVY EDGE 4 GRAVY EDGE 5 MASH POT EDGE 6 MASH POT CENTER LG 206 203 209 208 204 205 201 “ 209 182 196 206 198 198 194 TCP OVENS “ 190 161 KENMORE #1 209 “ 211 “ 211 KENMORE #2 199 “ 210 “ 210 205 211 202 204 201 213 211 213 182 200 214 205 210 202 204 205 178 0 203 201 205 202 211 205 207 197 210 210 220 208 207 199 212 FINAL REMARKS This research was conducted to determine whether by microwaving Not-Ready-to-Eat (NRTE) products it is possible to guarantee their ability to reach the safe temperatures, throughout 200 0 0 207 205 UNSAFE TEMPERATURES 200 208 210 A statistical comparison of the data on the performance of Standard vs. Smart ovens is summarized in Tables XI, XII, XIII. All the data, from each test, was analyzed to determine the Mean, Standard Deviation and Range of temperatures from highest to lowest in each sample. A visual inspection of the smart oven data indicates that the Mean temperatures are generally higher, Standard Deviation and the Range of temperatures are smaller in the TCP ovens. Simple T Tests of all the data and confirmed by ANOVA analysis, demonstrates that this is not only true, but the P values indicate that there is an “extremely significant difference in these aspects favoring the Smart (TCP) over the Standard microwave ovens. A smaller Standard Deviation and Temperature Range of the TCP samples means that there is less likelihood of extreme differences in temperatures in the food, i.e. areas that are hot while others are cool. The higher Mean temperatures favor food safety as they are more likely to exceed the minimum required temperatures. 48 206 7 PASS TEMPERAMASH POT TURE = 160 °F EDGE 196 203 0 0 0 0 0 0 the products, required to destroy any residual microorganisms that might cause foodborne illness. NRTE products are not fully thermally processed but require that consumers finish cooking them to the required safe temperatures. But, the home kitchen is a totally uncontrolled environment and consumers may not be able to fulfill the requirements for many reasons: not knowing their ovens’ microwave powers; often being impatient and following instructions imperfectly; many do not have an adequate kitchen thermometer, and if they do, not knowing how to use it; and more. Of course, every chef would say that proper cooking belongs in the hands of the cook. However, this really applies to conventional cooking where the cook normally follows a recipe or a well-known cooking procedure of at least several minutes. But using a microwave oven is in many ways similar to using the early Kodak cameras: one only needed to push a button and the camera did the rest. Similarly, these NRTE products tell the cook to set the cooking time suggested by the manufacturer and push a button to start the cooking process in the microwave oven. While it is usually suggested to adjust the cooking time to match the particular oven’s power, and to use a kitchen thermometer to check that the required temperatures have been achieved, these steps may not occur, or occur inadequately, for the reasons Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table IX. Product # 2: Beef: product temperature after using TCP cooking code. THERMO COUPLE: TCP OVENS 1 BEEF@EDGE CENTER AVERAGE TEMPERATURE (°F) @ EACH THERMOCOUPLE LOCATION 2 BEEF@CTR CENTER 3 BEEF@EDGE CENTER 4 SAUCE EDGE 5 SAUCE EDGE 207 192 205 208 201 LG 191 204 “ 180 207 “ 208 208 208 KENMORE #1 209 208 205 “ 208 206 203 “ 165 208 206 193 “ 209 187 206 205 196 209 204 204 206 162 207 201 206 209 KENMORE #2 “ 204 193 6 7 PASS TEMPERAVEGETABLE VEGETBLE TURE = 160 °F EDGE EDGE 191 194 178 174 178 189 195 179 199 199 204 198 201 211 188 176 204 UNSAFE TEMPERATURES 0 0 193 0 0 187 0 172 188 0 175 187 199 0 183 0 0 Table X. Product # 3: Turkey Breast: product temperature after using TCP cooking code. THERMO COUPLE: AVERAGE TEMPERATURE (°F) @ EACH THERMOCOUPLE LOCATION: 2 MASH POT CENTER 3 MASH POT EDGE 4 STUFFING EDGE 5 STUFFING CENTER 6 TURKEY CENTER 7 TURKEY EDGE PASS TEMPERATURE = 160 °F “ 208 209 209 172 206 203 203 200 205 206 192 185 202 207 0 0 KENMORE #1 206 209 210 208 209 202 202 0 205 206 206 205 206 TCP OVENS LG 1 MASH POT EDGE “ 198 KENMORE #2 195 207 “ “ “ 202 208 209 207 207 207 190 199 208 177 stated above. By using exacting temperature measurement techniques and handling procedures in these tests, it has been demonstrated that the cooking instructions provided by the manufacturer for standard microwave ovens are often inadequate to reach the required safe temperatures. This may is be primarily due to the lack of opportunity for conductive heat transfer to occur. This is Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 UNSAFE TEMPERATURES 206 203 203 0 206 197 206 202 0 207 206 209 207 203 191 199 206 205 204 0 0 0 especially important in cases where the food component is large in volume and mass, such as a chicken breast; in these tests it was difficult to heat the interior with microwaves because of the short penetration depth into the chicken and the lack of sufficient standing time to allow conductive heat transfer to occur. A good illustration of this is how one is instructed to cook a large piece of 49 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table XI. Product # 1: Chicken Breast: Statistical evaluation of the temperature data. MICROWAVE OVEN T GE 170.4 26.7 168.4 31.9 STD OVENS E M MEAN P E R STD DEV T U R Max. E S Min. Range 196 125 71 198 120 78 “ 165.3 LG 177.4 24.7 199 119 79 183.3 14.1 205 159 46 “ 20.3 A FRIGIDAIRE 189.9 12.1 201 150 52 “ 195.7 5.5 208 189 19 193.1 6.1 202 KENMORE #1 148.7 39.3 191 “ 155.1 43.6 195 “ 177.3 24.9 135 62 175.1 “ 195 131 “ “ 24.7 193 182 97 61 19 94 203 128 75 96 99 SHARP 159.1 31.5 201 120 81 KENMORE #2 181.0 17.2 204 157 47 “ 181.4 18.1 200 144 56 “ “ 149.1 47.5 179.7 19.8 197 87 198 145 MAGIC CHEF 181.4 18.1 201 155 “ 193.1 11.1 205 169 “ 186.1 16.5 206 111 53 46 167 39 36 EMERSON 190.3 12.2 203 162 41 “ 179.1 24.2 201 139 62 “ 178.4 28.1 205 140 64 AVERAGE 176.5 22.5 201.2 141.2 60.0 LG 205.1 2.7 211 200 12 TCP OVENS “ 192.7 KENMORE #1 202.4 “ “ “ 16.9 197.6 8.7 11.5 207.4 4.2 205.9 5.2 212 209 167 214 200 213 204.9 5.0 212 “ 209.1 6.2 220 AVERAGE P VALUE 50 205.1 203.4 5.9 <0.0001 E X 7.4 0.0004 T R E M E L Y 181 217 KENMORE # 2 “ 161 199 28 50 14 14 193 19 198 22 212 193 213.4 188.0 <0.0001 51 <0.0001 S I G N I F I C A N T 19 25.3 0.0003 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table XII. Product # 2: Beef: Statistical evaluation of the temperature data. MICROWAVE OVEN T GE 172.0 24.4 “ 154.0 36.7 STD OVENS “ E M MEAN 151.4 P E R STD DEV 198.2 138.1 60.1 185.6 128.4 56.2 187.6 103.5 84.2 “ 151.6 34.7 24.7 15.4 “ 167.6 32.5 KENMORE #2 147.1 36.9 “ 182.8 14.4 51.6 “ 193.3 192.7 143.3 191.1 65.4 196.8 65.1 49.3 97.1 99.7 198.6 100.7 97.9 200.5 154.4 46.1 15.4 198.5 149.5 49.0 10.3 201.0 176.6 24.4 EMERSON 165.2 34.8 “ 166.7 22.9 202.2 92.3 125.7 194.5 12.9 179.6 123.7 42.8 35.3 182.8 “ 188.8 160.1 123.0 202.9 17.1 181.3 72.0 13.0 156.2 “ 104.1 108.1 61.2 KENMORE #1 MAGIC CHEF 93.7 84.2 134.7 23.2 153.8 197.9 195.9 171.6 “ 61.0 88.3 “ 133.3 134.8 108.0 21.9 “ 195.9 195.0 171.7 173.7 Range 44.9 FRIGIDAIRE SHARP Min. 196.3 30.9 161.7 S 35.2 164.4 “ Max. E 160.1 “ 187.1 R 195.3 13.9 “ U 192.4 180.0 153.4 T 42.4 LG “ A 164.3 196.1 90.8 201.3 138.0 20.2 203.7 26.3 102.2 37.9 105.3 141.5 62.2 196.2 123.2 73.0 63.3 AVERAGE 166.8 LG 196.7 8.2 206.8 186.3 20.6 “ 196.6 9.6 208.3 179.5 28.7 17.2 208.6 206.0 161.0 45.0 209.2 174.4 34.8 TCP OVENS “ 199.8 11.9 KENMORE # 1 198.5 15.3 “ 198.9 11.2 “ 194.0 KENMORE # 2 188.4 16.0 “ 195.1 12.5 “ AVERAGE P VALUE 200.2 196.5 >0-0001 E X 208.3 172.6 36.9 208.4 174.6 33.7 211.1 12.4 208.5 0.0013 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 33.4 209.4 9.3 T R E M E L Y 174.9 >0.0001 156.6 180.8 173.4 >0.0001 S I G N I F I C A N T 52.0 30.3 35.0 >0.0001 51 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table XIII. Product # 3: Turkey Breast: Statistical evaluation of the temperature data. MICROWAVE OVEN T GE 185.9 “ 182.2 STD OVENS “ E MEAN M P E R STD DEV 23.1 A T U R Max. E S Min. Range 203.3 146.9 56.4 204.5 139.8 64.7 184.0 19.1 203.2 LG 179.4 29.9 200.9 117.6 83.3 “ 189.4 205.1 147.2 58.0 “ 27.5 157.9 188.1 15.6 202.4 FRIGIDAIRE 203.6 3.0 208.1 199.5 8.6 “ 198.9 5.2 203.2 187.8 15.4 “ “ KENMORE #1 “ “ SHARP “ “ KENMORE #2 “ “ MAGIC CHEF “ “ EMERSON “ 20.7 202.9 2.1 203.6 3.0 177.3 181.0 170.2 175.3 185.6 194.7 182.0 172.2 180.5 201.0 28.5 199.6 24.1 17.3 20.3 8.6 2.0 6.1 207.1 25.9 205.0 16.7 LG 203.6 KENMORE # 1 206.5 3.4 “ 205.3 1.2 “ 205.2 205.7 203.7 188.1 197.3 203.5 6.2 AVERAGE “ 204.7 202.3 22.7 TCP 0VENS 204.5 27.3 29.3 201.7 184.8 198.8 202.9 180.1 “ 204.6 24.7 7.2 202.0 208.1 17.9 199.9 197.9 205.3 5.5 13.8 3.8 204.8 200.5 203.7 154.5 45.3 199.4 199.5 135.0 141.1 124.7 128.2 140.4 179.8 130.7 123.0 137.6 182.4 182.9 199.0 187.4 139.9 129.5 47.9 6.0 8.6 66.1 63.4 74.9 70.7 64.0 24.8 72.2 80.4 64.8 23.3 20.8 5.8 19.7 60.6 75.4 156.9 46.9 190.9 17.9 210.3 200.4 9.9 207.1 201.2 6.0 208.9 209.1 209.3 170.7 196.1 38.4 13.2 KENMORE # 2 202.8 5.1 207.3 193.7 13.6 “ 201.9 6.2 207.6 190.0 17.6 “ AVERAGE P VALUE 52 199.9 202.8 0.0006 E X 11.7 6.3 0.0075 T R E M E L Y 210.0 208.7 0.000003 172.6 189.5 0.0032 S I G N I F I C A N T 37.5 19.2 0.0075 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. meat such as a 4 inch (10 cm) diameter beef roast in a microwave oven. Very little or no microwave energy will reach the center of the beef because the penetration depth is less than 1 cm, and so the cook is instructed to microwave the beef to an internal temperature of approximately 115 - 120 °F (46 - 49 ºC), removing it from the microwave oven, wrapping it in aluminum foil, and allowing it to stand for 15 or 20 min. while thermal conductivity raises the interior temperature to 125 - 135° F (52 - 57ºC). But, with the short microwave cooking and standing times suggested by the manufacturers there is simply not enough time for this conductive heat transfer to occur. It is not a fault of the microwave oven, but rather that the recommended cooking times and procedures are inadequate to produce the required result. A major strength of the smart oven technology employed in these tests is that it takes the control of the cooking procedure out of the hands of the consumer and replaces it with digitized computer control utilizing lower as well as full power levels, also employing rest times in the cooking cycle, thereby allowing conductive heat transfer to occur. The results found in this paper are not a condemnation of microwave ovens but rather define two major problems: a) Microwave power output claimed by the manufacturers is often much higher than the actual IEC measured power output. This is a significant problem since it misleads consumers into thinking that their ovens are much more powerful than they actually are, and therefore they follow cooking times that are probably too short. b) The whole concept of not fully thermally processing foods to be cooked by consumers is seriously flawed. What these temperature profiles indicate is that by simply following the heating instructions provided by the manufacturer, it is quite possible that the food will not reach safe temperatures and therefore can be considered a serious safety issue. of oven based upon testing a representative sample of their production. However, as demonstrated in this document, the output powers supplied by the manufacturers for these ovens are considerably higher than those measured by the IEC 705 procedure; these IEC values were only 70.9% to 87.8% of the claimed values, i.e. lower (note they were never higher). This is of great concern because the average consumer is unable to run this procedure or anything similar to it, and so must rely on the manufacturers’ numbers. This situation can result in the consumer not cooking the NRTE products long enough, since the food processors cooking instructions are based upon 1100 or 1200-watt ovens. The inadequate microwave cooking of NotReady-to-Eat products is shown by the distribution of temperatures in the components of each of the three products, highlighting those that are less than the required safe cooking temperatures. This demonstrates that even when the cooking instructions provided by the food processor are followed exactly, there are still places within components that may not have reached the required safe temperatures. The results show the failure rate in each oven; only one of the eight conventional ovens cooked one of the products successfully every time, and all three products failed each time to reach the minimum safe temperatures in three of the ovens. Whereas, the smart ovens reached the required safe temperatures in every test. It was not within the scope of these tests to determine the reason for these failures. It remains unknown whether using the actual ovens’ powers to adjust the cooking times would have been sufficient to provide the minimum safe temperatures every time. However, it is important that such a study be done and the results reported to consumers as well as food processors. CONCLUSION Microwave oven manufacturers use what is thought to be an average value for a particular model REFERENCES 1. Centers for Decease Control and Prevention (2010) “48 M Americans get sick from Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 ACKNOWLEDGEMENTS The tests were performed at the Department of Food Science and Technology, the University of Tennessee under the direction of Professor Federico M. Harte. PhD. 53 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. foodborne illnesses each year”. http://www.ift. org/food-technology/newsletters/ift-weeklynewsletter/2010/december/121510.aspx 2. IMPI (2011) “Consumer Uses and Attitudes Regarding Microwave Ovens and Microwavable Products”, 2011 Consumer Survey. International Microwave Power Institute, Mechanicsville VA. 3. Schiffmann R. F. (2005) “Techniques for Accurately Measuring Temperature in Static Liquids During Microwave Heating”, AMPERE 54 10 International Conference on Microwave and High Frequency Heating, September 12-15, Modena, Italy (2005). 4. US Food and Drug Administration (2011) “Safe Food Handling: What You Need to Know. Food Facts” http://www.fda.gov/food/resourcesforyou/ consumers/ucm255180.htm 5. Vadivambal R. and Jayas D. S. (2011) “Nonuniform Temperature Distribution During Microwave Heating of Food Materials – A Review”, J. Bioprocess 21 Technology, 3: pp. 161–171. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Eventos y reconocimientos I. INFORME DEL DIRECTOR DE LA FIME El pasado 3 de abril, se llevó a cabo la junta directiva en la que el M.C. Esteban Báez Villarreal, presentó su tercer informe de actividades, correspondiente a su segundo período como director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. El M.C. Báez Villarreal presentó los resultados obtenidos a lo largo de su gestión, destacando la fortaleza académica, de investigación, vinculación, movilidad, cultura y deporte que mantiene esta dependencia. Agradeció el esfuerzo de todos los que integran esta escuela para contribuir a los logros de los que hizo mención en su informe. Al final del informe, en representación de los profesores de la FIME, el M.C. Roberto Alberto Mireles Palomares le entregó un reconocimiento de parte de los profesores por su trayectoria y labor desarrollada al frente de la facultad. II. TOMA DE PROTESTA DEL ING. JAIME A. CASTILLO ELIZONDO COMO DIRECTOR DE LA FIME El pasado 11 de abril tuvo lugar la toma de protesta como director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, para el período 2014-2017, del Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, ante la Junta de Gobierno de la UANL presidida por el M.C. Juan Francisco Garza Támez. El Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, le impuso la Medalla “Venera” y en su discurso reconoció que la FIME es una facultad interesada en la responsabilidad social y la vinculación con el sector industrial, con una planta docente de primer nivel. El Ing. Castillo Elizondo manifestó en su discurso que la ingeniería en México plantea nuevos retos que comprometen al fortalecimiento de la capacidad El M.C. Esteban Báez Villarreal rindiendo su tercer informe de actividades del segundo período. El Ing. Jaime A. Castillo Elizondo tomando protesta como director de la FIME para el período 2014-2017. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 55 �Eventos y reconocimientos y competitividad académica mediante procesos innovadores, y convocó a la comunidad de la FIME a trabajar juntos con una administración que integra la voluntad y capacidad para trascender en esta nueva etapa de la facultad. III. DEVELACIÓN DE FOTOGRAFÍA EN GALERÍA DE DIRECTORES El pasado 29 de abril fue develada la fotografía del MC. Esteban Báez Villarreal en la Galería de Directores de la FIME. En esta ceremonia estuvo presente el Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, el Director de la FIME, Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, el Secretario General del Sindicato de trabajadores de la UANL, Dr. Oscar de la Garza Castro, así como otros ex-directores, como el Ing. José Antonio González Treviño, también Ex - Rector de UANL, el Ing. Rogelio Garza Rivera, actual Secretario General la UANL, y el Ing. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza. En este evento, tanto el rector como el director reconocieron la labor realizada por el M.C. Báez Villarreal a lo largo de su gestión. Develación de la fotografía del MC. Estéban Baez Villarreal en la Galería de Directores, lo acompañan; a su izquierda, el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, y a su derecha, el Ing. Jaime A. Castillo Elizondo y el M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera. I V. D I S T I N G U E N A F O R M A D O R E S D E UNIVERISTARIOS En la celebración del Día del Maestro presidida por el Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, se reconoció la trayectoria de 67 56 docentes que han desarrollado su labor universitaria ininterrumpidamente durante 40, 45, 50, 55 y 65 años. Entre los homenajedos se encuentran el Ing. José Manuel López González, de la Facultad de Ingeniería Civil, quien cumple 65 años de servicio; el Dr. Roberto Moreira Flores, de la Preparatoria 15 cumple con 55 años. Con 50 años antigüedad están el Ing. Antonio Cayetano Garza de la FIME, el Dr. Benjamín Limón Rodríguez, de la Facultad de Ingeniería Civil; el Arq. Hugo Genaro Cortés Melo, de la Facultad de Arquitectura, y el Dr. Ricardo Alberto Rangel Guerra, de la Facultad de Medicina. Entre los profesores que cumplen 45 años se encuentran el MC. Roberto Villarreal Garza, de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. En este mismo grupo se encuentran también: el Dr. Glafiro Alanís Flores, de la Facultad de Ciencias Biológicas, el Ing. Edmundo Vaquera García, de la Facultad de Ingeniería Civil, y el Dr. Oliverio Welsh Lozano, de la Facultad de Medicina. Los profesores de la FIME en el grupo de 40 años de antigüedad son: el Ing. Guadalupe Barrios Alonso, el Lic. Oscar Amel Elizondo Zambrano, los M.C. Alfonso Abelardo Aguilar Ponce, Alfonso González Zambrano, Daniel Ramírez Villarreal, Heriberto Guzmán Hernández, José Rene Medina Cantú, Paz Vicente Cantú Gutiérrez, y Rafael Sanmiguel Flores. El Dr. Benjamín Limón Rojas dirigiendo un mensaje durante la celebración del Día del Maestro en la UANL. V. DIA DEL MAESTRO EN LA FIME El pasado 13 de mayo, con motivo de la celebración del Día del Maestro, se rindió homenaje a los profesores que cumplen 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 �Eventos y reconocimientos y 55 años de labor docente y universitaria. El Director de la FIME, Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, entregó los reconocimientos acompañado por el Dr. Simón Martínez Martínez, Subdirector de Posgrado; el Dr. Arnulfo Treviño Cubero, Subdirector Académico; y el M.A. Francisco Jesús Barrera Cortinas, Subdirector Administrativo. También estuvo presente el M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL y Ex-Director de la FIME. Los maestros con 15 años de antigüedad son: Dr. Azael Martínez de la Cruz M.C. Catarino Alcorta Aguilar Dr. Cesar Guerra Torres M.C. Elvira Huerta Montalvo Dr. Efraín Alcorta García M.C. Gerardo Treviño Castro Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez M.C. María Cristina Cantú Rodríguez Dr. Roger Zirahuen Ríos Mercado M.C. Rodolfo Rubén Treviño Martínez Dra. María Isabel Dimas Rangel M.C. Sandra Elizabeth del Río Muñoz Dra. Martha Patricia Guerrero Mata Con 20 años: Dr. Alberto Javier Pérez Unzueta M.C. Edgar Danilo Domínguez M.C. Carlos Alberto Porras Mata M.C. Fernando Montemayor Ibarra M.C. Claudia Elisa Luna Mata M.C. Roberto Penilla Leal M.C. Claudia García Ancira M.C. Víctor Imperial Fernández M.C. Daniel González Garza M.E.C. Magda Patricia Estrada Castillo Con 25 años: Dr. Francisco Eugenio López Guerrero Dr. Ubaldo Ortiz Méndez M.C. Aída Lucina González Lara M.C. Amanda Vázquez García M.C. J. Jesús Solache Mendoza M.C. Jesús Guadalupe Castañeda Marroquín M.C. José Luis Garza González M.C. José Manuel Rocha Núñez M.C. Juan Hernández Ibarra M.C. Juana María Gómez Urrutia M.C. Yolanda Gutiérrez Pimentel Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 Con 30 años: Ing. Alejandro Cahuantzi Maldonado Ing. Luciano Cortina Martínez M.C. Alfredo Mendoza Lozano M.C. Carlos Bernanrdo Garza Treviño M.C. Daniel Navarro Reyes M.C. Diana Margarita Martínez Martínez M.C. Edelmiro Leal Ochoa M.C. Elizabet Rodríguez García M.C. Jaime Facundo Villarreal Sánchez M.C. José Antonio Pacheco Arteaga M.C. José Ramón Martínez Salazar M.C. Leopoldo Rene Villarreal Jiménez M.C. María de Jesús Nañez Rodríguez M.C. Miguel Carrola González M.C. Nydia Esther Ramírez Escamilla M.C. Uriel Barrera Garza M.E.S. María Patricia Mireles Ontiveros Profesores que cumplen 30 años de docencia en la FIME, con el director. Con 35 años: M.C. Margarito Osvaldo Gaytán Reyes M.C. Francisco Humberto González González M.C. Víctor Vicente González Santibáñez M.C. Julián Eduardo Hernández Venegas Con 40 años: Ing. Guadalupe Barrios Alonso Lic. Oscar Amel Elizondo Zambrano M.C. Alfonso Abelardo Aguilar Ponce M.C. Alfonso González Zambrano M.C. Daniel Ramírez Villarreal M.C. Heriberto Guzmán Hernández M.C. José Rene Medina Cantú M.C. Paz Vicente Cantú Gutiérrez M.C. Rafael Sanmiguel Flores 57 �Eventos y reconocimientos Profesores que cumplen 40 años de docencia en la FIME, con el director. Con 45 años: M.C. Roberto Villarreal Garza Con 55 años: Ing. Antonio Cayetano Garza Garza Además, se otorgó el Reconocimiento por Trayectoria hacia la actividad docente al M.C. Jorge Antonio Treviño López y al M.C. Guadalupe Trujillo Sánchez por 25 años; al M.C. Manuel Ángel Guajardo Martínez, al M.E.S. Roberto González González; y a la M.C. Nicacia Mata Aranda por 30 años. Por primera ocasión se entrega el Reconocimiento Cátedra Honorífica, y se inaugura con el Ing. Leopoldo de Jesús Villarreal Robledo, a quien se le reconoce por su ejemplo de perseverancia y vocación de servicio para toda la comunidad universitaria. Ing. Leopoldo de Jesús Villarreal Robledo (izquierda), Reconocido con la Cátedra Honorífica; y el Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de la FIME. 58 VI. PRESEA PARA EL RECTOR DE LA UANL El pasado 31 de mayo, el maestro José Reséndiz Balderas, Presidente de la Sociedad Nuevoleonesa de Historia, Geografía y Estadística (SNHGE), presidió la Sesión Solemne en la que el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL, el Dr. Sergio Miranda Pacheco, investigador de la UNAM y el Dr. Daniel Jorge Sanabria Barrios, profesor del Instituto Tecnológico de Estudios Superiores Campus Monterrey, recibieron la Medalla de Acero al Mérito Histórico “Capitán Alonso de León” 2014 como un reconocimiento por el apoyo a la publicación de materiales históricos o por promover la difusión del patrimonio cultural de la región. En la Sesión Solemne estuvieron presentes la profesora Juana Aurora Cavazos Cavazos, Secretaria de Educación en el Estado; el Dr. Israel Cavazos Garza, cronista oficial de Monterrey, y el maestro Mario Treviño Villarreal, Secretario General de la Sociedad. De izq. a derecha: Dr. Sergio Miranda Pacheco, Dr. Jesús Ancer Rodríguez y Dr. Daniel Sanabria Barrios. VII. TOMA DE PROTESTA DEL COMITÉ EJECUTIVO DE LA ANFEI El pasado 6 de junio, durante la XLI Conferencia Nacional de Ingeniería, el Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, director de la FIME, rindió protesta como presidente de la Asociación Nacional de Facultades de Enseñanza de Ingeniería (ANFEI) para el período 2014-2016. La ANFEI promueve la colaboración entre los miembros, con el fin de mejorar los planes de estudio y la infraestructura, a través de la vinculación entre instituciones y organismos con el propósito de formar a los mejores ingenieros del país. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 �Eventos y reconocimientos El director de la FIME, Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, como presidente de la ANFEI, acompañado de otros miembros de la asociación. VIII. MAESTRÍA EN NANOTECNOLOGÍA El Honorable Consejo Universitario aprobó la creación del programa educativo de Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Nanotecnología, para impartirse en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica en modalidad escolarizada a partir del 4 de agosto de 2014. El alcance de este programa de ciencia básica se extiende desde la generación de conocimiento, a través de la investigación científica básica, hasta el desarrollo tecnológico y la ingeniería de nanoestructuras, para preparar profesionistas expertos en las diversas áreas que engloba la nanotecnología. Algunos participantes de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Nanotecnología: Dr. Jorge Aldaco Castañeda, Dr. Leonardo Chávez Guerrero (Coordinador de esta maestría), Dr. Luis Alberto López Pavón, Dra. Selene Sepulveda Guzmán, Dra. Sugehedy Y. Carranza Bernal, Dr. Mario Alberto García Ramírez, Dr. Raúl Lucio Porto y el Dr. Javier Morales Castillo. IX. MOVILIDAD ACADÉMICA ESTUDIANTIL El pasado 20 de junio se reunieron con el Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de la FIME; el Dr. Francisco Ramírez Cruz, Subdirector de Relaciones Internacionales; el Dr. Simón Martínez Martínez, Subdirector de Posgrado; el Ing. Raúl Mario Montemayor Martínez, Presidente de Fundación PROFIME; y la MC. Lizbeth Habib Mireles, Coordinadora de Movilidad Académica, los 39 estudiantes que participan en el Programa de Movilidad Académica Internacional de la FIME que en el semestre Agosto-Diciembre 2014 estarán tomando cursos de ingeniería en Alemania, Francia, Chile, España, Portugal, Canadá Australia, Irlanda y Estados Unidos. Grupo de alumnos que participan en el Programa de Movilidad Académica Internacional de la FIME. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 59 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Abril - Junio 2014 Iker Iván Muñoz Esquivel, Maestría en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 3 de abril. Fabiola Esther Domínguez Sánchez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro (Por materias), 4 de abril. Karina Cervantes Juárez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro (Por materias), 7 de abril José Francisco Treviño Casas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 8 de abril. Elva Nancy Ramírez Chávez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 8 de abril. Jo rg e Luis Gon zá lez Dí az, M aes tría e n Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 9 de abril. Fernando Campuzano Romero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 9 de abril. I rv in g Pi ca ss o He rnán dez , M aest rí a en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 10 de abril. Sonia Patricia Sánchez Alemán, Maestría en Logística y Cadena de Suministro (Por materias), 11 de abril. David León Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 29 de abril. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. 60 Juan Jos é Lópe z Arellano , Ma estría en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 30 de abril. Leonel Romero Legorreta, Maestría en Logística y Cadena de Suministro (Por materias), 30 de abril. Federico Rodela Luna, Maestría en Logística y Cadena de Suministro (Por materias), 30 de abril. Jesús David Peña Aguilar, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas “Análisis y simulación de procesos estocásticos en redes de interacción”, 8 de mayo. D ory S i s l ay A l d ac o Na va , M a es t r í a e n Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 12 de mayo. Ruth Lizeth Zamarrón Castro, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas “Modelos enteros para el problema de empaquetamiento de círculos en un contenedor rectangular”, 12 de mayo. Rafael Escamilla Salazar, Maestría en Ingeniería (Por materias), 12 de Mayo Nallely Sarahy Bazaldúa Frías, Maestría en Logística y Cadena de Suministro (Por materias), 14 de mayo. Edgar Alejandro González Lumbreras, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con Especialidad en Telecomunicaciones “Estudio del tráfico telefónico de una red celular basado en el protocolo de señalización ISUP”, 16 de mayo. Rogelio Humberto Villarreal López, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 23 de mayo. Juan Antonio Banda Moreno, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas “Estudio de un algoritmo Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL heurístico híbrido basado en la teoría de campo medio aunado a una búsqueda local”, 30 de mayo. Daniel Alberto García Montoya, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 30 de mayo. Adrián Martín Cobos, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con Orientación en Energía Térmica y Renovable, “Implementación de un sistema de control de alta precisión en temperatura para una cámara de clima controlado”, 30 de mayo. Jaime Alejandro Martínez Torres, Maestría en Ingeniería, (Por materias), 2 de junio. Juan Carlos Monsiváis Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 5 de junio. Ernesto Alejandro Moreno García, Maestría en Ingeniería, (Por materias), 6 de junio. Rosa Liliana González Arredondo, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Metaheurísticas aplicadas a la planificación de orden parcial”, 6 de junio. Mauricio Bernardo Olvera Sánchez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales “Efecto de In2O3 sobre las propiedades eléctricas y microestructurales de un varistor basado en SnO2”, 6 de junio. Manuel Alejandro Elizondo de la Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 10 de junio. Denisse del Carmen Pérez Morín, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias) ,10 de junio. Nancy Aracely Arellano Arriaga, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas “Un enfoque biobjetivo al problema del reparador”, 11 de junio. Serguei Francisco Rodríguez Anicherikov, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 11 de junio. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 Rafael Ávila Acosta, Maestría en Ingeniería, (Por materias), 12 de junio. Dagoberto Ramón Quevedo Orozco, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas “Optimización del problema de P-Centro capacitado”, 16 de junio. Ileana Ivette Guel González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 17 de junio. Alejandro Rodríguez Arredondo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, (Por materias), 17 de junio. Ángel Mario Cantú Morales, Maestría en Ingeniería de la Información, (Por materias), 19 de junio. Dory Angélica Álvarez Porras, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas “Diseño óptimo de rutas para una empresa que brinda servicios de paquetería y logística”, 20 de junio. Erika Marlene Oviedo Muñoz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 20 de junio Ana Laura Hernández Contreras, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, (Por materias), 23 de junio. Oscar Chacón Martínez, Maestría en Ingeniería, (Por materias), 24 de junio. Jaime Elihezer Valadéz Ramos, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales “Ataque corrosivo por vidrio fundido en refractarios AZ5 producidos con materias primas alternas dopados con nano partículas de SiO2 y ZrO2”, 26 de junio. Jorge Iván Miguel Reyes, Maestría en Administración Industrial y de Negocios “Sistema de implementación de manufactura esbelta”, 27 de junio. Karen Denisse Martínez Torres, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, (Por materias), 27 de junio. 61 �Acuse de recibo JOURNAL OF MATERIAL ENGINEERING AND PERFORMANCE ELECTRIC POWER COMPONENTS AND SYSTEMS La revista Journal of Materials Engineering and Performance ofrece artículos relacionados con los retos de ingeniería en el día a día. Incluye los aspectos de selección de materiales, diseño, caracterización del procesamiento y evaluación, mejora de las propiedades de los materiales a través de procesos y control de procesos de fundición, formando, tratamiento térmico, modificación superficial y revestimiento, y su fabricación. Se dan ejemplos de ensayo y caracterización a través de pruebas mecánicas y físicas, ECM, metalografía, análisis de fallas, resistencia a la corrosión, el análisis químico, caracterización de la superficie, y microanálisis de superficies, características y fracturas. Esta revista (ISSN: 1059-9495) es una publicación que se puede consultar en la página. http://www. springer.com/ Electric Power Components and Systems, es una revista arbitrada que publica trabajos teóricos y aplicados con el amplio campo de la electromecánica, máquinas eléctricas y sistemas de potencia. Los temas incluyen: nuevos métodos de diseño, cálculo y diseño; avances en los materiales utilizados en máquinas eléctricas, control de estado sólido de máquinas eléctricas; motores lineales; nuevos tipos de máquinas eléctricas; campos electromagnéticos en los convertidores de energía; los aspectos de control de máquinas eléctricas; planteamiento del sistema eléctrico; fiabilidad y la seguridad; transmisión y distribución; despacho y programación; de alto voltaje de los sistemas de corriente continua; protección de la red eléctrica. Esta revista con ISSN: 1532-5008 también publica artículos de revisión y se puede consultar en http://www.teylorandfrancis.com/journals Bertha Idalia González Reyes Norberto Alexis Martínez Ascencio 62 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 �Colaboradores Castillo Elizondo, Jaime Arturo Ingeniero Administrador de Sistemas de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (1993) y Maestro en Administración con especialidad en Recurso Humano de la Facultad de Ciencias Químicas (1998) de la Universidad Autónoma de Nuevo León, y Doctor en Educación por el Instituto de Educación Superior José Martí. Ha sido profesor de la FIME desde 1993, cubriendo además diferentes funciones administrativas, como la de Subdirector de Vinculación (2008-2014) y actualmente la de Director de la FIME. Carranza Hernández, Fernando Augusto Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones (2012) FIME-UANL. Actualmente es alumno de la maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con énfasis en telecomunicaciones. Corona Chávez, Alonso Obtuvo la licenciatura en Ingeniería Electrónica y Comunicaciones en el ITESM, México y el doctorado en la Universidad de Birmingham, Reino Unido en 2001. De 2001 a 2004 fungió como ingeniero de microondas para CryoSystems Ltd (Reino Unido), donde desarrolló subsistemas de microondas superconductivos para telecomunicaciones. Además fue investigador honorario en la Universidad de Birmingham (2001 - 2004). En septiembre de 2004 se incorporó al Gran Telescopio Milimétrico, INAOE donde actualmente es investigador titular en la coordinación de electrónica. Garza Tovar, Lorena L. Licenciada en Química Industrial por la UANL, tiene Maestría en Química Inorgánica por la UANL y Doctorado en Química con orientación en Estado Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 Sólido por la Universidad Autónoma del Estado de México. Actualmente es Profesor de Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Obtuvo el premio de Investigación UANLIngeniería en 2000 y 2008. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel I Guzmán Nieto, Michelle Egresado de la carrera de Ingeniero en Aeronautica. En el año 2010 representó a la FIME en el (INSA) Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Lyon en Francia como estudiante de intercambio. A su regreso comienza a trabajar como becaria del departamento de dinámica estructural del (CIIIA) (Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica). Hernández Carrillo, Rubí A. Licenciada en Química Industrial y Maestra en Química de los Materiales por la UANL. Actualmente es estudiante del Programa Doctoral en Química de los Materiales en la Facultad de Ciencias Químicas en la Universidad Autónoma de Nuevo León. Ledezma Ramírez, Diego Francisco Ingeniero Mecánico Electricista por la Universidad Autónoma de Nuevo León, doctorado en vibraciones mecánicas por el Institute of Sound and Vibration Research, University of Southampton. Cuenta con reconocimiento de profesor con perfil deseable PROMEP, y SNI nivel C. Actualmente es profesor investigador en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León. Olvera Cervantes, José Luis Licenciado en Física y Matemáticas por el Instituto Politécnico Nacional (IPN) en México D. F. También 63 �Colaboradores obtuvo la maestría y el doctorado en electrónica y telecomunicaciones del Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, B. C. México en 2005 y 2008 respectivamente. Puente Ramírez, Norma Patricia Doctora en Ciencias por la Universidad Autónoma de Baja California, campus Ensenada. Profesor de tiempo completo de la FIME-UANL, desde 2011. Miembro del SNI nivel C. Rodríguez Morales, Gustavo Licenciado en física graduado de La Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas en la Universidad Autónoma de Nuevo León en 1996. Maestro y Doctor en ciencias graduado de el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica en 1999 y 2003 respectivamente. Desde 2007 es profesor investigador en la FIME-UANL. Sánchez-Cervantes, Eduardo M. Licenciado en Ciencias Químicas por el ITESM y Doctor en Ciencias Químicas con orientación en Química del Estado Sólido por la Universidad Estatal de Arizona (USA). Actualmente es Profesor de Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y obtuvo el premio de Investigación UANL-Ingeniería en 2007 y el premio de Investigación UANL-Ciencias Exactas en 2007, 2008 y 2011. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel I. Schiffmann, Robert F. Ingeniero egresado de Columbia University y Maestro en Ciencias en Química y Física Análitica de la Universidad de Purdue. Cuenta con más de 50 años de experiencia en procesos industriales con microondas, incluyendo trabajos en investigación y desarrollo, así como cursos y seminarios sobre teoría y aplicaciones de microondas durante los últimos 30 años. Entre otras actividades profesionales, es miembro fundador de la Association for Microwave 64 Power in Europe for Research and Education (AMPERE), miembro del Microwave Working Group y Presidente del International Microwave Power Institute. (IMPI). Sosa Morales, María Elena Ingeniero de Alimentos por la Universidad de Guanajuato, Maestría en Ciencia en Alimentos en la Universidad de las Américas Puebla y Doctorado en Ciencia de Alimentos en el Instituto Tecnológico de Veracruz. Tapia González, Pablo Ernesto Ingeniero Mecánico Electricista (2003) y Maestro en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura con especialidad en Diseño de Productos (2005) egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, actualmente estudia el Doctorado en Ciencias de la Ingeniería Aeronáutica en la misma institución. Trabajó para Industrial Mexicana (2006) como Ingeniero de Diseño de Torres de Enfriamiento. Torrealba Meléndez, Richard Licenciado en Electrónica por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP). Maestro en Electrónica y Telecomunicaciones del Centro de Investigación Científica y Educación Superior (CICESE) en Ensenada, Baja California, México. Actualmente realiza estudios de Doctorado en Electrónica en el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) en Puebla, México. Torres Gonzalez, Luis C. Licenciado en Química por la UDEM, Maestría en Fisicoquímica por el CINVESTAV y Doctor en Electroquímica por la Universidad de Estrasburgo (Francia). Actualmente es Profesor de Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Obtuvo el premio de Investigación UANLCiencia en 2001. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel I. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 65 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la 66 fecha de su muerte. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Revisores Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 �contenidas en un manuscrito bajo consideración, excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. 67 �68 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2014 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 17 Número Número de la revista 64 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2014, Año 17, No 64, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2014 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020827 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Amortiguamiento Conductividad eléctrica Histéresis Líquidos iónicos Propiedades dieléctricas https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20786/Ingenierias_2014_Ano_17_No_63_Abril-Junio.pdf bdaf46620cb96e84521bc2fe3e7c3f4a PDF Text Text �Contenido Abril-Junio de 2014, Año XVII, No. 63 63 2 Directorio 3 Editorial Retos actuales de la enseñanza de la ingeniería Rogelio G. Garza Rivera 6 Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas de nanopartículas de sulfuro de plomo (PbS) Diana Fabiola García Gutierrez, Denysse González Ovalle, Laura Patricia Hernández Casillas, Fernando Fungo, Domingo Ixcóatl García Gutiérrez 17 Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas Karina Araceli Cabriales Gómez, Juan Antonio Aguilar Garib 31 Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro Taylor-LQG-Fourier Luis Fernando Sánchez-Gómez, José Antonio De la O Serna 45 Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías Francisco Eugenio López Guerrero, Pedro Nicolás Garza Patrón, Francisco Ramírez Cruz, Javier De la Garza Salinas 58 Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino Bruno Cisneros Damm, Alberto Pérez Unzueta 65 Eventos y reconocimientos 67 Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL 71 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 73 Acuse de recibo 74 Colaboradores 77 Información para colaboradores Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 1 �Ingenierías, Año XVII, N° 63, abril-junio 2014. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de abril de 2014. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2014 revistaingenierias@uanl.mx DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA M.C. Esteban Báez Villarreal Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable Lic. Julio César Méndez Cavazos Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Hector Javier Velez Verduzco Tipografía y formación Dr. César Guerra Torres Indización M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Jesús E. Escamilla Isla Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Ing. Dagoberto Salas Zendejo Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Prof. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Samir Nagi Yousri Gerges, Brasil. UFSC, Florianopolis / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO M.C. Fernando Javier Elizondo Garza, FIME-UANL / Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Moisés Hinojosa Rivera, FIME-UANL / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FCQ-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Azael Martínez De la Cruz, FIME-UANL / Dr. Enrique López Cuellar, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH 2 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 �Editorial: Retos actuales de la enseñanza de la ingeniería Rogelio G. Garza Rivera Secretario General de la UANL Rogelio.Garza@uanl.mx Curiosos por naturaleza, los ingenieros poseemos una fuerte capacidad analítica, somos adaptables a los cambios tecnológicos y a las necesidades socioculturales y contamos con una capacidad creativa que nos impulsa a innovar y buscar métodos más eficientes para hacer las cosas. Todo ingeniero es en esencia un humanista práctico, que retroalimenta continuamente su espíritu con los dictados de la realidad científica. Si bien las aportaciones de la ingeniería a la humanidad han sido muchas a lo largo de la historia, fue en el transcurso del siglo XX cuando la ciencia y la tecnología ingenieril detonaron aportaciones trascendentes que incrementaron la calidad de vida del género humano. En ese siglo se impulsaron áreas como: petroquímica, electrónica, transporte, medicina, potabilización del agua, agroindustria y en especial la tecnología de la información y las telecomunicaciones. La ingeniería contribuyó notablemente en el desarrollo de la aeronáutica y la carrera espacial, con efectos multiplicadores en la diversificación e introducción de nuevos materiales y procesos aplicados en las áreas de la salud y comunicación, entre otras. En pleno siglo XXI, la ingeniería enfrenta nuevos retos derivados del empuje de innovaciones difícilmente imaginables en el pasado reciente: la nanotecnología, la mecatrónica, la robótica, el desarrollo de software seguro y fiable, la transmisión inalámbricas de energía, el aprovechamiento de energías no contaminantes, el tratamiento de residuos no biodegradables, la agroindustria protegida, y la producción y procesamiento de alimentos, por citar algunos. La ciencia y la técnica del siglo XXI demandan, cada vez más, la implementación de sistemas de ingeniería con dispositivos y mecanismos especializados e integrados. Un ejemplo lo constituye la introducción de la mecatrónica en el ámbito del transporte que, además de garantizar el correcto funcionamiento del motor de un vehículo, puede integrar la programación y funcionalidad óptima de los computadores que regulan la ignición, airbag, refrigeración y sistemas eléctricos del automóvil de tal manera que mejoran su seguridad, eficiencia y confort. Con la sinergia de la globalización y el libre comercio internacional, se demandan transformaciones que ponen mayor énfasis en la competitividad más que en la productividad. La estrategia de ventajas competitivas, deberá identificar nuevas demandas de mercado para enfrentar el reto de elaborar productos complejos y especializados por medio de clusters y agregarles valor. Además, debe estar siempre presente la importancia de interrelacionarse con el ordenamiento territorial y la educación ambiental para lograr un auténtico desarrollo sustentable con un manejo integral de los recursos. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 3 �Retos actuales de la ensañanza de la ingeniería / Rogelio G. Garza Rivera. Bajo estas circunstancias, es apremiante seguir fortaleciendo el modelo de la triple hélice mediante la generación de alianzas estratégicas tanto entre las empresas que realizan las distintas etapas de la cadena productiva, como con otros actores sociales, entre los que figuran los distintos niveles del gobierno y las universidades. En este sentido, el rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), Dr. Jesús Áncer Rodríguez, consciente de los desafíos que para la educación pública implica el contexto descrito y de los retos derivados de las reformas económica, financiera y energética promovidas por el Gobierno Federal, ha impulsado la elaboración e instrumentación de un Plan Maestro de Reconversión Educativa (PMRE) enmarcado en la Visión 2020 de la UANL y en su Plan de Desarrollo Institucional, 2012-2020. Asimismo, el Modelo Educativo de la Universidad contempla la actualización de las competencias del estudiante por que lo que en el PMRE se estructura, como respuesta a las reformas, un programa de reconversión de profesionistas basado en diplomados, cursos de actualización, licenciatura y programas de posgrado. En este plan también se definen las estrategias, acciones y programas pertinentes para generar una oferta educativa actualizada, aumentar el capital humano, construir alianzas con la empresa, el gobierno y la sociedad civil e impulsar la movilidad internacional de sus académicos y estudiantes. En especial, para la generación e innovación del conocimiento en el sector energético, la Universidad ha impulsado a los cuerpos académicos que desarrollan líneas de investigación en hidrocarburos, procesos de producción de energías limpias, sustentabilidad y economía internacional, entre otras. Así, a esta fecha, se ofrecen bachilleratos técnicos, licenciaturas y posgrados enfocados al desempeño en el sector energético, muchos de ellos acreditados por organismos internacionales, ya que cuenta con laboratorios de vanguardia especializados en energía y sustentabilidad. La reforma energética conlleva la necesidad de contar también con profesionales del derecho que conozcan el marco legal y normativo de la materia, así como las prácticas y gestiones de los procesos interno y externo de producción, distribución y comercialización del sector energético. Por ello, es destacable que se haya aprobado la creación de la Maestría en Derecho Energético y Sustentabilidad que ofrecerá la Facultad de Derecho y Criminología y que tiene como objetivo formar, con una educación integral, recursos humanos competitivos para ejercer en esa rama del derecho así como desarrollar y generar conocimiento. En particular la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), de la UANL, está llamada a ser protagonista en esta reconversión académica, y alinea sus procesos de enseñanza, aprendizaje e investigación, con las capacidades y habilidades científicas, tecnológicas y de innovación requeridas. Como parte de la estrategia del director entrante de la FIME, Ing. Jaime Castillo Elizondo, la Facultad fortalecerá los convenios de vinculación y los proyectos de investigación, alineándolos con la política nacional de desarrollo industrial y con el desarrollo de los sectores productivos. En este sentido, se aprovecharán las oportunidades que brinda la Reforma Energética relacionadas con la internacionalización, la innovación tecnológica y la competencia, para contribuir al logro de sus beneficios sociales; entre otros, la mayor producción 4 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 �Retos actuales de la enseñanza de la ingeniería / Rogelio G. Garza Rivera. de hidrocarburos y sus derivados, disminución de costos en electricidad y gas, sustentabilidad ambiental y un mayor número de empleos. Como se ha hecho a lo largo de más de seis décadas, la FIME trabajará para que la calidad y el talento de los investigadores e ingenieros mexicanos sean reconocidos y valorados en el ámbito internacional para reducir constantemente la brecha tecnológica con el extranjero. Por otra parte, estamos seguros que el concepto de “Ingeniería Verde” cobrará importancia como marco de referencia para que las nuevas aplicaciones y propuestas de materiales, productos, procesos y sistemas que generen nuestros estudiantes e investigadores sean eficientes y amigables con el ambiente y la salud, al tiempo que permitan mejorar el estilo de vida de las personas. En un contexto global, la actualización profesional, la experiencia progresiva, la evaluación y la certificación del profesionista son parte de una nueva cultura que repercutirá en el aumento de la calidad del ejercicio profesional. Ello mantendrá vigente la posibilidad de crear sinergias y sostener una competencia justa con escuelas de ingeniería nacionales y del extranjero. Asumiremos nuestra responsabilidad de formar ingenieros con capacidad creadora y de innovación que nos permitan pasar de lo “hecho en México” a lo “creado en México”. Como antaño se sorprendió al mundo con nuestros recursos naturales de exportación, ahora afrontamos nuestro reto a futuro: exportar conocimiento. FIME es un importante pilar de la UANL, y es reconocida en el país y el extranjero como institución de calidad académica y humana, cuyos programas satisfacen los requerimientos y necesidades del estudiantado y de la industria. Entre los 600 maestros que conforman nuestra planta docente, se encuentran distinguidos profesionistas con perfil PROMEP, y adscritos al Sistema Nacional de Investigadores, muchos de ellos tienen reconocimientos, premios y certificaciones diversas. Con base en una filosofía de unidad, innovación y calidad, se ha logrado el cumplimiento de ambiciosas metas y objetivos que han permitido pasar de ser una escuela grande, a una gran escuela, consolidando su liderazgo entre las facultades de ingeniería del país. Ser una escuela de ingeniería de primer nivel en el contexto nacional ha costado mucho esfuerzo. Mantenerse a la vanguardia en un escenario de competitividad creciente representa un reto para todos nosotros, en particular para la planta académica y el cuerpo de investigación. Nuestro compromiso es asegurar una enseñanza con estándares internacionales, que impulse al estudiante a la superación integral, y de esta forma aportar a la sociedad mejores profesionistas y mejores seres humanos, con valores y responsabilidad social transformadora. A mayores retos, mayores oportunidades, y en la UANL estamos preparados para aprovecharlas. Tenemos el potencial para formar profesionistas humanistas y prácticos, con capacidades para innovar y aportar soluciones que vayan más allá del conocimiento actual que permitan realizar el ideal del desarrollo sustentable: la prosperidad de las nuevas generaciones. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 5 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas de nanopartículas de sulfuro de plomo (PbS) Diana Fabiola García GutiérrezA,B, Denysse González OvalleA,B, Laura Patricia Hernández CasillasA,B, Fernando FungoC, Domingo Ixcóatl García GutiérrezA,B Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME CIIDIT-UANL C Departamento de Química, Universidad Nacional de Río Cuarto, Argentina domingo.garciagt@uanl.edu.mx A B RESUMEN El sulfuro de plomo (PbS) es un material semiconductor que, en escala nanométrica, exhibe efectos de confinamiento cuántico, lo que permite que se pueda utilizar para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos, optoelectrónicos e imagen biológica. La síntesis química de este material utilizando como precursor al oleato de plomo resulta muy favorable para la obtención de nanopartículas bien estabilizadas, de morfologías y tamaños homogéneos. Sin embargo, el ácido oleico también afecta de manera negativa las propiedades ópticas y eléctricas de las nanopartículas. Como una alternativa ante este problema, se sintetizaron nanopartículas de PbS utilizando diferentes ácidos carboxílicos como agente protector, ácidos carboxílicos de cadena más corta que la del ácido oleico, para evaluar el cambio en las características de las nanopartículas, así como en sus propiedades ópticas y eléctricas. PALABRAS CLAVE Nanopartículas, PbS, ácidos carboxílicos, semiconductores. ABSTRACT Lead sulfide (PbS) is a semiconductor material that, in nanometric scale, shows quantum confinement effects, what makes it attractive for photovoltaic, optoelectronics and biological imaging applications. Chemical synthesis of this material using lead oleate as precursor is one of the best ways to obtain well stabilized nanoparticles of a remarkable quality regarding their size, morphology and size dispersion. Nonetheless, oleic acid also affects negatively the optical an electrical properties of the nanoparticles. In order to address this problem, PbS nanoparticles were synthesized using shorter chain carboxylic acids than oleic acid chain, to evaluate their effect on the characteristics of the nanoparticles, as well as on their electrical and optical properties. KEYWORDS Nanoparticles, PbS, Carboxylic Acids, semiconductors. 6 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. INTRODUCCIÓN Los calcogenuros de plomo (PbS, PbSe, PbTe) son semiconductores del grupo IV-VI que desde hace décadas son utilizados para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos que operan en longitudes de onda correspondientes al mediano infrarrojo y mayores (≈3000-14000 nm). 1 Sin embargo, su verdadero auge se inicia alrededor de 1982 cuando algunos grupos de investigadores como Efros et al. (1982)2, Ekimov et. al. (1985)3 y Brus et al. (1984)4 empezaron a sintetizar estos calcogenuros en escala nanométrica, dando paso al estudio de los efectos de confinamiento cuántico en éstos sistemas. Tales efectos solo son posibles de observar al reducir el tamaño de partícula del material, de tal manera que el diámetro de la partícula sea menor al radio de excitón de Bohr, y los calcogenuros de plomo son de los materiales semiconductores que presentan radios de excitón de Bohr de mayor valor (PbS de 18 nm, PbSe 46 nm y PbTe de 152 nm). Una de las consecuencias de estos efectos cuánticos de confinamiento es que el rango de longitud de onda para la aplicación de estos materiales se desplaza hacia la zona visible-infrarrojo cercano del espectro electromagnético,5 y otra no menos importante, es la generación de multiexcitones, que para los sistemas PbS y PbSe se han reportado la generación de 5 y 7 excitones, respectivamente, a partir de un fotón incidente (Schaller et al. 2006).6 Estudios como el de Schaller y colaboradores abren una ventana para el uso de estos materiales como potenciales candidatos para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos. El sulfuro de plomo (PbS), con un band gap directo de 0.41 eV y con estructura cristalina FCC, igual que el PbSe y PbTe, se ha sintetizado a nivel de nanoestructura por diferentes rutas de síntesis y se han obtenido diferentes morfologías, dependiendo de la ruta de síntesis y de los precursores utilizados; por ejemplo, Sang-Min Lee et al. (2002) 7 sintetizaron diferentes nanoestructuras de PbS (estrellas, cubos, octaedros) a partir de la descomposición térmica de Pb(S2CNEt2)2 en fenil éter a diferentes temperaturas (140ºC a 250ºC), utilizando como agente estabilizante dodecanotiol. En 2007 Mandeep et al.8 sintetizaron diferentes estructuras de PbS en fase acuosa, utilizando un compuesto orgánico de azufre (tioacetamida) y acetato de plomo como precursores, dado que el PbS es insoluble en agua, Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 utilizaron surfactantes de doble cadena, logrando así la síntesis de nano y micro cristales solubles en agua, abriendo la posibilidad del uso de este material en aplicaciones biotecnológicas. La síntesis más común y la que provee las condiciones más favorables para formación de nanopartículas de PbS, PbTe y PbSe, bien estabilizadas, es la que involucra el uso de ácido oleico y óxido de plomo 9-12 como fuente para la formación del precursor de plomo, a su vez el ácido oleico juega el rol de agente protector y estabilizante por su gran afinidad al plomo, que como ya se ha estudiado para otros sistemas de calcogenuros de plomo, éste queda en la parte externa de la nanopartícula.11 Sin embargo, el ácido oleico es un ácido carboxílico con una cadena de dieciocho átomos de C, el cual a su vez aísla a la nanopartícula y no permite que las propiedades optoelectrónicas en general de las nanopartículas de calcogenuros de plomo sean explotadas al máximo. Como una solución alternativa a este problema, se ha empleado el uso de tioles post-síntesis para eliminar el ácido oleico que queda alrededor de la nanopartícula y reemplazarlo por los grupos tioles.9,13,14 Javeed Akhtar et al.15 sinetizaron nanopartículas de PbS sustituyendo el ácido oleico por aceite de oliva, sin Fig. 1. Representación esquemática de los diferentes ácidos carboxílicos utilizados para la síntesis de nanopartículas de PbS. 7 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. embargo aunque éste sea amigable con el medio ambiente y la síntesis se puede llevar a cabo a menores temperaturas de reacción (60ºC), uno de los principales componentes del aceite de oliva es el ácido oleico. La mejor solución a este problema es sintetizar las nanopartículas de PbS y que éstas no requieran de ningún tratamiento post-síntesis. En el presente trabajo se propone sintetizar nanopartículas de PbS utilizando ácidos carboxílicos con una cadena de átomos de C más corta que la del ácido oleico para formar el precursor del plomo, y se evalúa con cada uno de éstos la calidad de las nanoestructuras formadas, así como su respuesta óptica y eléctrica. Se seleccionaron cuatro diferentes ácidos carboxílicos (figura 1) y se mantuvieron las mismas condiciones de reacción para los cuatro diferentes sistemas, con la excepción de la reacción con ácido benzoico, debido a su insolubilidad en 1octadeceno (ODE) a temperaturas menores a 260ºC. la inyección del precursor de S la nucleación y crecimiento de las nanopartículas de PbS ocurre de manera instantánea por lo que se tomaron alícuotas a diferentes tiempos de crecimiento, 10, 60, 120, 300 y 600 segundos, excepto para la reacción con AB en la que únicamente se tomó una alícuota a los 3 minutos de crecimiento. Cada alícuota fue vertida dentro de un tubo de centrifugado que contenía 10 mL de acetona anhidra y la muestra fue enfriada hasta temperatura ambiente. Posteriormente las muestras fueron centrifugadas a 9500 rpm durante 10 min, se decantaron los residuos y el precipitado que contenía las nanopartículas fue redispersado con 2 mL de tolueno anhidro, se agregaron 20 mL de acetona anhidra y se centrifugó nuevamente con los mismos parámetros. El lavado de las nanopartículas se llevó a cabo tres veces para cada alícuota de cada una de las reacciones y el precipitado final se dejó secar al vacío para su posterior caracterización. DESARROLLO EXPERIMENTAL Materiales Óxido de Plomo (OPb), 1-Octadeceno (ODE), Difenilfosfina (DFF), Sulfuro de Trimetilsilil (TMS), Ácido Acético (AA), Ácido Hexanoico (AH), Ácido Benzoico (AB), Ácido Mirístico (AM), Acetona anhidra, Tolueno anhidro, Hexano anhidro. Caracterización La caracterización de las nanopartículas de PbS se llevó a cabo mediante microscopía electrónica de transmisión y por la técnica espectroscópica de UV-Vis-NIR. Se utilizó un microscopio electrónico de transmisión (TEM por sus siglas en inglés) FEI Titan G2 80-300 en las modalidades de microscopía electrónica de transmisión, scanning transmission electron microscopy (STEM) y Difracción de electrones. Además, este equipo cuenta con un detector de high angle anular dark field (HAADF) para el modo STEM marca Fishione, así como con un detector marca EDAX para los estudios de energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). La muestra se preparó depositando una gota de las nanopartículas dispersadas en hexano anhidro sobre una rejilla de cobre cubierta con una capa delgada de carbón amorfo, el solvente se dejó evaporar de manera natural. Por otra parte, las nanopartículas fueron dispersadas en tolueno para su caracterización con un espectrómetro Agilent Cary 5000, UV-Vis-NIR. Para la caracterización de las películas de PbS se llevó a cabo mediante Microscopía Electrónica de Barrido utilizando un FEI NovaNanoSEM para el estudio superficial; y para el estudio de las propiedades de conductividad eléctrica y fotoconductividad de las películas de nanopartículas se utilizó un Keithley 6487 Picoammeter/Voltage source, las muestras para Síntesis de Nanopartículas de PbS En un matraz de tres bocas se adicionan 23 mL de ODE, 0.45 g de OPb y se adiciona el ácido carboxílico (AA, AH, AB, AM) en cantidad de 5 mmol para conservar la relación de 2.5 AC: 1 Pb. La mezcla se coloca en una manta de agitación y calentamiento y se incrementa la temperatura hasta llegar a los 150ºC, excepto para la síntesis con AB, en la que la temperatura de reacción fue de 260ºC, la mezcla se mantiene a esa temperatura durante dos horas, todo esto se lleva a cabo en atmósfera de N2. Por otra parte, dentro de una caja de guantes con atmósfera de N2, se diluyen dentro de un vaso de precipitado 2 mL de ODE, 212 μL de TMS y 100 μL de DFF, ésta mezcla se agita durante 30 min, se coloca en una jeringa y después se inyecta rápidamente en la solución de ODE, OPb y el AC. En cada una de las síntesis con los diferentes ácidos carboxílicos se mantiene la relación 2 Pb : 1S. Después de 8 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. este estudio se prepararon depositando una gota de nanopartículas dispersadas en hexano anhidro sobre un sustrato de vidrio de 10 mm X 10 mm, una vez seca la muestra se utilizó un pincel de punta fina y se pintaron dos electrodos con pintura de carbón, éstos de aproximadamente 1 mm de ancho por 4 mm de largo a una separación de aproximadamente 4 mm uno del otro en posición paralela. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Microscopía Electrónica de Transmisión Se determinó mediante patrones de difracción, como se observa en las figuras 2 a 5 en el inciso a, que las nanopartículas obtenidas corresponden a PbS con estructura cristalina FCC, de acuerdo a la tarjeta JCPDS 77-0244,16 independientemente del ácido carboxílico utilizado en la reacción. Fig. 2. Imágenes de TEM de nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido acético. a), b) y c) Se muestran nanopartículas de PbS a los 10 s, 120 s y 300 s, respectivamente. d) Imagen de HAADF de área selecta para el análisis de EDS y su espectro correspondiente. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 9 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. Fig. 3. Imágenes de TEM para nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido hexanoico. a) Nanopartículas de PbS a los 10s de tiempo de crecimiento y se muestra en la imagen insertada su patrón de difracción indexado. b) Imagen de HAADF de nanopartículas de PbS a los 120s y c) Imagen de TEM de nanopartículas de PbS a los 300s. d) Imagen de HAADF de área selecta para el análisis de EDS y su espectro correspondiente. Para la síntesis de nanopartículas de PbS con ácido acético (figura 2), se obtuvo una polidispersidad en tamaño, oscilando entre los 1.7 nm a 3.5 nm para las nanopartículas como las que se observan en el inciso a, que corresponde a un tiempo de crecimiento de 10 segundos, sin embargo, en el inciso b, que corresponde a un tiempo de crecimiento de 2 minutos, se observan aglomerados con tamaños en el orden de micras. Esto puede ser atribuido a que el ácido acético, al tener la cadena de únicamente dos 10 átomos de C y al presentar interacciones laterales débiles entre las mismas cadenas, no logra pasivar lo suficiente la superficie, para lograr reducir la energía superficial de cada partícula, provocando que éstas se atraigan entre sí para formar estos aglomerados, en los cuales no se observa la coalescencia de las nanopartículas, más bien parecen estar embebidas dentro de lo que podría ser el agente protector. En el inciso c que corresponde a un tiempo de crecimiento de 5 minutos, se puede observar que Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. Fig. 4. Imágenes de TEM para nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido benzoico. a) Nanoestructuras de PbS con tamaños en el orden de los 20 a 100 nm y aún más grandes, también se muestra en el inserto el patrón de difracción indexado. b) Imagen de HAADF que muestra nanopartículas de PbS con tamaños que varían entre 1.9 nm a 3.8 nm. c) Imagen de HAADF que muestra aglomerados formados por nanopartículas de PbS. d) Imagen de HAADF de área selecta para el análisis de EDS y su espectro correspondiente. las nanopartículas que formaban aglomerados coalescieron hasta formar cristales de mayor tamaño, y éstos a su vez se encuentran rodeados de muchas nanopartículas que son atraídas probablemente por el mecanismo de crecimiento Ostwald ripening. En el inciso d se muestra una imagen de HAADF de uno de estos aglomerados, indicando con un rectángulo rojo el área seleccionada para el análisis de EDS realizado, en la parte inferior se muestra el espectro Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 de EDS obtenido, donde se observa claramente la presencia del plomo y el azufre; los estudios de difracción de electrones permiten corroborar la presencia de cristales de PbS. Para la síntesis de nanopartículas de PbS con ácido hexanoico se observaron nanopartículas con morfología cuasiesférica, aunque la distribución de tamaño presentó polidispersidad (entre 3.2 y 5.5 nm), en los tiempos más cortos de reacción no se 11 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. Fig. 5. Imágenes de TEM para nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido mirístico. a) y b) muestran nanopartículas de PbS con tamaños que varían entre los 2.5 nm y 3.5 nm, y en el inserto se muestra su patrón de difracción indexado. c) Imagen de HAADF que muestra nanoparticulas de PbS dispersadas y bien estabilizadas. d) Imagen de HAADF de área selecta para el análisis de EDS y su espectro correspondiente. observó la formación de aglomerados (incisos a y b de la figura 3) sino hasta los 5 min de tiempo de crecimiento se observó la coalescencia de algunas partículas; dando origen a partículas de hasta 10 nm y aglomerados con tamaños mayores a los 100 nm. Aunque la inyección en caliente del precursor del S fue muy rápida, la extracción y enfriamiento de las alícuotas fue muy lenta y esta es la principal causa a la que se atribuye la polidispersidad en el tamaño de partícula. 12 Para la síntesis de nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido benzoico la temperatura de reacción fue de 260ºC, y únicamente se tomó un tiempo de crecimiento, que fue de tres minutos, en las imágenes de TEM de la figura 4, aunque como se observa en el inciso b, se formaron nanopartículas de morfología cuasiesférica con tamaños entre 1.9 nm a 3.8 nm, éstas solo se encontraron en algunas zonas de la rejilla analizada; la mayor parte de las nanopartículas de PbS no presentaron una morfología Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. definida, su tamaño fue superior a los 20 nm en al menos una de sus dimensiones y éstas se encontraban aglomeradas unas con otras, tal como se observa en los incisos a, c y d. El análisis de EDS que se muestra en el inciso d revela la presencia de los elementos Pb y S, pero al igual que para el resto de los sistemas el patrón de difracción fue concluyente para determinar que las nanopartículas sintetizadas con éste ácido carboxílico con cadena de seis átomos de C, también corresponden a PbS. Los resultados de TEM para nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido mirístico se muestran en la figura 5 en los incisos a, b y c. En estos se muestran nanopartículas a los 10, 120 y 300 s de tiempo de crecimiento, respectivamente; se observó una buena distribución de tamaños oscilando entre los 2.5 nm y 3.5 nm. Al igual que para las otras reacciones se hizo el análisis de EDS (inciso d) en una zona que a simple vista pareciera un aglomerado de partículas, sin embargo no fue así, esta zona está cubierta de nanopartículas. Las zonas que se observan “más claras” en las imágenes de HAADF (figura 5 d) están formadas por varias capas de nanopartículas. El análisis revela la presencia de Pb y S y al igual que para las demás reacciones el patrón de difracción fue concluyente para determinar que las nanopartículas sintetizadas son de PbS con estructura FCC. Se puede observar que los mejores resultados en cuanto a morfología y distribución de tamaño se obtienen con el ácido carboxílico con cadena de átomos de C más larga. Cabe mencionar que no se observó la presencia de aglomerados. Resultados de UV-Vis-NIR En la figura 6 se muestran los resultados de UVVis-NIR para cada una de las síntesis de nanopartículas de PbS con los diferentes ácidos carboxílicos. En el inciso a se muestran los espectros de absorción de Fig. 6. Espectros de absorción de UV-VIS-NIR para los diferentes sistemas de nanopartículas de PbS. a) ácido acético, b) ácido hexanóico, c) ácido benzoico y d) ácido mirístico. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 13 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. UV-Vis-NIR para las nanopartículas sintetizadas con ácido acético, a los diferentes tiempos de crecimiento se observan picos de absorción a los 880, 1150 y 1200 nm aproximadamente. Sin embargo, el que éstos aparezcan siempre en el mismo lugar y que a medida que avanza la reacción se atenúan, permite inferir que éstos no corresponden a las nanopartículas de PbS sintetizadas. Aún se está trabajando en la identificación del origen de estos picos, no obstante, resultados experimentales han corroborado que éstos corresponden a un subproducto de la reacción, ya que también se observan en el sobrenatante que se obtiene durante el proceso de limpiado de las partículas. En el inciso c se muestran los resultados de la síntesis de nanopartículas de PbS con ácido benzoico, para ésta reacción tampoco se observó el pico de absorción asociado al primer excitón de las nanopartículas de PbS, a pesar de que en ambas reacciónes (A. Acético y A. Benzoico) se obtuvieron nanopartículas con tamaños menores al radio de Bohr del PbS. Resultados experimentales observados por otros investigadores, 17 mismos que han sido observados en el grupo, han mostrado que cuando hay presencia de aglomerados o se tiene una muestra con una polidispersidad alta, no es posible observar el pico de absorción de las nanopartículas. Otra posible explicación es que al estar presentes estos aglomerados pueden dispersar la luz subiendo la línea de base, lo cual enmascara la señal de generación del primer excitón en las partículas. Por otra parte, como se puede observar en los incisos b y d que corresponden a la síntesis con ácido hexanoico y mirístico, respectivamente, se observa claramente el pico de absorción de las nanopartículas y cómo éste a menor tamaño de nanopartícula se recorre más hacia el visible. Los espectros de absorción para la síntesis con ácido hexanoico (inciso b) también revelan la polidispersidad en tamaño de las nanopartículas, lo cuál ya se había observado en el análisis de TEM, contrario a los espectros de absorción para el ácido mirístico, que muestran una mejor distribución de tamaño, para estos dos casos se pudo calcular el band gap óptico utilizando la referencia 18, y éste se muestra en los incisos b y d. Las nanopartículas sintetizadas con ácido mirístico mostraron el mayor corrimiento hacia el visible, mostrando el pico de absorción asociado al primer excitón de las nanopartículas en 847 nm de longitud de onda para los 10 s de tiempo de crecimiento, y aún para los 60 y 120 s el pico de absorción es menor a los 900 nm. Caracterización de las películas de PbS En la figura 7 se muestran imágenes de SEM para películas de PbS, en el inciso a con nanopartículas sintetizadas con ácido hexanoico y en el inciso b con ácido acético. Para las diferentes películas analizadas en algunas se observó una superficie Fig. 7. Imágenes de SEM de películas de PbS. a) Se muestra la superficie de la película de PbS sintetizado con ácido hexanóico y b) muestra la superficie de la película de PbS sintetizado con ácido acético. 14 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. de mala calidad, es decir, como en el caso de la síntesis con ácido acético, los aglomerados de nanopartículas no permiten que haya continuidad en la película, contrario a la película con nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido hexanoico, en la que se observa un buen acomodamiento de las nanopartículas dando como resultado una superficie más homogénea y continua de nanopartículas de PbS. Se hace énfasis en la calidad de la película debido a que únicamente en las películas de mejor calidad se logró observar la señal de fotorrespuesta (figura 8), y además se obtuvieron las curvas I vs. V para todas las películas de PbS sintetizadas con los diferentes ácidos carboxílicos y los resultados de resistencia calculados a partir de éstas se muestran en la tabla I. Se aprecia que los resultados de resistencia son altos, sin embargo es muy claro que las películas más resistivas son aquellas con nanopartículas de PbS sintetizadas con los ácidos carboxílicos de cadenas de átomos de C más largas. Fig. 8. Señal de foto-respuesta correspondiente a la película de PbS sintetizado con ácido hexanóico. Tabla I. Resultados de resistencia calculados a partir de las curvas I vs. V obtenidas de las películas de PbS con nanopartículas sintetizadas con los diferentes ácidos carboxílicos. Material Resistencia Ω PbS-Ácido Acético 3.30 x 1010 a 3.30 x 1011 PbS-Ácido Hexanoico 1.00 x 1012 a 1.00 x 1013 PbS-Ácido Benzoico 5.00 x 1012 PbS-Ácido Mirístico 5.00 x 1012 a 1.00 x 1013 PbS-Ácido Oleico 1.00 x 1013 a 6.00 x 1013 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 CONCLUSIÓN Se puede concluir que con todos los ácidos carboxílicos probados se lograron obtener nanopartículas de PbS. Con el ácido acético, el de cadena de átomos de C más corta, se produjeron nanopartículas que empezaron a coalescer a tiempos de crecimiento muy cortos, formando aglomerados muy grandes, ésta puede ser la razón por la cuál no se observó el pico de absorción óptica asociado a las nanopartículas en el UV-Vis-NIR y de la mala calidad de la película mostrada en la figura 7 (b). Se propone sintetizar nanopartículas de PbS con mayor concentración de ácido acético para promover la formación de nanopartículas de PbS bien estabilizadas. La reacción para obtener nanopartículas de PbS con ácido benzoico se tuvo que llevar a cabo a 260ºC debido a que éste ácido carboxílico es insoluble en ODE a temperaturas menores, aunque se lograron obtener nanopartículas de PbS, éstas formaron aglomerados de manera instantánea, y al igual que en el caso de las nanopartículas sintetizadas con AA, éstas tampoco mostraron pico de absorción en el espectro de UV-Vis-NIR, ni tampoco una clara señal de fotorrespuesta. Se puede agregar que el cambiar el ácido carboxílico, fuente para formar el precursor de plomo, no mostró tener efecto alguno en la estructura cristalina de las nanopartículas de PbS, solo tiene efecto en la morfología, tamaño y absorción óptica, además, los menores valores de resistencia corresponden a las películas delgadas de PbS sintetizadas con los ácidos carboxílicos de cadena de átomos de C más cortas, por esta razón se cree que es posible mejorar las propiedades eléctricas de las nanopartículas de PbS controlando la síntesis de éstas con los ácidos carboxílicos de cadena de átomos de C más cortas con la finalidad de producir nanopartículas aisladas y bien estabilizadas. Es muy importante mencionar que los mejores resultados de foto-respuesta se observaron en las películas de PbS de mejor calidad, lo que implica que esta propiedad no está determinada únicamente por las características individuales de las nanopartículas, también tiene influencia la forma en que las nanopartículas se encuentran arregladas dentro de la película, obteniendo los mejores resultados siempre y cuando las películas formadas en la superficie del sustrato sean continuas y homogéneas. 15 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. REFERENCIAS 1. G. Bauer and G. Springholz, Johannes Kepler, Lead Salts, Semiconductor Materials, Elsevier (2005), pp. 385-391. 2. Efros, Al. L.; Efros, A. L. Interband Absorption of light in a Semiconductor Sphere. Sov. Phys. Semicond. (1982), 16, pp. 772-774. 3. Ekimov, A. I.; Efros, A. L.; Onushchenko, A. A. Quantum Size Effect in Semiconductor Microcrystals. 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El primero de ellos fue tetraetoxysilano como fuente de silicio, con bakelita como fuente de carbono, el segundo precursor fue feniltrimetoxysilano como fuente de silicio y carbono a la vez. Estos precursores fueron pirolizados mediante microondas en una atmósfera de nitrógeno. Nanopartículas de aproximadamente 5 nm fueron observadas mediante HR-TEM y se determinó que su arreglo corresponde al β-SiC. La presencia de este compuesto fue corroborada mediante difracción de rayos X. PALABRAS CLAVE β-SiC, microondas, sol-gel, tetraetoxysilano, feniltrimetoxysilano ABSTRACT Nanoparticles of silicon carbide β-SiC of cubic lattice were produced in this work using two precursors prepared by means of sol-gel. The first one was tetraetoxysilene as a source of silicon, with bakelite as a source of carbon, the second precursor was feniltrimetoxysilene as a source of both, silicon and carbon. These precursors were pyroliyzed by means of microwaves undera nitrogen atmosphere. Nanoparticles of approximately 5 nm were observed by means of HR-TEM and it was found that their arrangement corresponds to β-SiC. The presence of this compound was confirmed by means of X-rays diffraction. KEYWORDS β-SiC, microwaves, sol-gel, tetraetoxysilene, feniltrimetoxysilene INTRODUCCIÓN La producción y uso de nanopartículas es cada vez más extensa y al igual que con otros productos, la búsqueda de métodos para producirlas de manera eficiente y confiable es continua. Entre diversas opciones se ha propuesto el uso de microondas como medio para proporcionar la energía que los procesos de síntesis requieren. En particular en este trabajo se produjeron nanopartículas de carburo de silicio del politipo 3C-SiC (β-SiC) mediante la pirolización, bajo una atmósfera de nitrógeno, de precursores obtenidos mediante sol-gel. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 17 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. La preparación de un material por medio del proceso sol-gel requiere la mezcla de los constituyentes o precursores en una fase líquida, hasta obtener una disolución homogénea, la cual se somete a un proceso de polimerización y gelificación, después de la cual el gel se transforma en compuesto deseado mediante un tratamiento térmico, eliminando componentes volátiles e incrementando la densidad del material.1 Un procedimiento sol-gel típico parte de un organometálico hidrolizable conocido como alcóxido metálico M(OR)X, donde M es un metal del grupo IV y OR es un grupo alcoxilo, en el que R es un radical hidrocarbonado. En el proceso solgel el sistema modelo es la sílice, y de los alcóxidos de silicio disponibles, el tetraetoxysilano, TEOS, es el más utilizado. Los otros dos reactivos necesarios para que se lleve a cabo el proceso sol-gel son: agua, para la hidrólisis del precursor; y un solvente, normalmente un alcohol u otros orgánicos, el cual es miscible tanto en el alcóxido como en el agua y ayuda a formar la solución para que se lleve a cabo la hidrólisis. La estructura final del gel y sus propiedades dependen de las reacciones de hidrólisis y condensación de los precursores. Solo algunas características podrán ser modificadas en el curso de las etapas siguientes. La rapidez de reacción de la hidrólisis y de la condensación depende de la temperatura, la reactividad del alcóxido, el tipo de solvente, y la acidez. Las reacciones de hidrólisis y condensación conducen a la formación de agregados de partículas extremadamente pequeñas, que se enlazan hasta formar un agregado único denominado gel, el cual continúa reaccionando, produciendo cambios químicos y nanoestructurales como la polimerización en la que aumenta su densidad y resistencia mecánica. CARBURO DE SILICIO El carburo de silicio, SiC, es uno de los cerámicos no-óxidos que se utiliza en la industria refractaria por su alto punto de fusión y bajo coeficiente de expansión térmica; es también un abrasivo de dureza cercana a la del diamante. En cuanto a sus aplicaciones en electrónica, por su alto “band gap”, alta conductividad térmica, alta fuerza de campo de interrupción eléctrica y alta velocidad de flujo de 18 saturación, es un material adecuado para electrónica de potencia y dispositivos de alta frecuencia.2, 3 El SiC, tanto en sus formas amorfa o cristalina, ha sido objeto de investigación para aplicaciones en campos optoelectrónicos y microelectrónicos como películas delgadas de diodos emisores de luz, dispositivos electroluminiscentes y transistores bipolares entre otros.2 El SiC fue sintetizado por primera vez por Acheson en 1891 mediante la fusión de arcilla (SiO2) con carbón (C) en un horno de arco eléctrico a 2400 °C durante 36 horas, él encontró pequeños cristales azules a los que llamó carborundum, derivado de corundum Al2O3, porque creyó que estaban formados de aluminio y carbono. Actualmente este método se sigue utilizando para la obtención de SiC a nivel industrial, aunque una de sus desventajas es el poco control que se tiene en la formación de los politipos y polimorfos del SiC.4 Un politipo es una clase especial de polimorfo en el que se tiene que la diferencia en las estructuras cristalinas de un compuesto se deben solo al orden en el cual está apilada una capa bidimensional (plano atómico). En 1912, Baumhauer descubrió las primeras tres estructuras politípicas del SiC; 5 actualmente, se han clasificado más de 200 politipos del SiC.6 Los politipos de SiC provienen de las diferentes secuencias de apilamiento periódicas de las bicapas. Hay seis bicapas diferentes, cada una formada de dos planos empaquetados (figura 1). Fig. 1. Bicapas fundamentales del SiC. 5 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. cual consiste en el número de bicapas en la celda unidad y una letra que puede ser C, H ó R, cúbica, hexagonal y romboédrica, respectivamente (figura 2). Los politipos más comunes del SiC son el 2H, 3C, 4H, 6H y el 15R (figura 3). La formación del β-SiC normalmente se da a temperaturas aproximadas a 1500 °C, aunque hay reportes de haber obtenido β-SiC debajo de esta temperatura, 8, 9 y se considera que es más estable que otros politipos hexagonales a temperaturas Las secuencias de apilamiento no alteran significativamente las longitudes de los enlaces o la densidad (tabla I). Si el número de bicapas en una celda unidad es par, la simetría será hexagonal, en otro caso será cúbica o romboédrica. El SiC normalmente se clasifica, según sus polimorfos, como α-SiC y β-SiC, donde los polimorfos hexagonal y romboédrico son α-SiC; mientras que el polimorfo cúbico es β-SiC.5 Para describir los politipos de SiC es común utilizar la notación de Ramsdell, la Tabla I. Propiedades de algunos politipos de SiC.7 PROPIEDAD POLITIPO 3C-SiC (β-SiC) 2H-SiC (α-SiC) 4H-SiC (α-SiC) 6H-SiC (α-SiC) F43m P63mc P63mc P63mc Hexagonalidad [%] 0 100 50 33 Orden de empaquetamiento ABC AB ABCB ABCACB Constante a de red [nm] 0.4358 - 0.4359 0.3075 - 0.3081 0.3070 - 0.3081 0.3073 - 0.3081 Constante c de red [nm] - 0.5031 - 0.5048 1.0053 - 1.0080 1.5109 - 1.5120 Densidad [g/cm3] 3.215 3.219 3.215 3.212 Band Gap [eV] 2.39 3.33 3.26 3.00 Conductividad térmica [W cm-1 K-1] 3.6 - 4.9 4.9 ≤ 1000 - ≤ 850 ≤ 450 ≤ 40 - ≤ 120 ≤ 100 Grupo espacial Movilidad de electrones [cm2 V-1 s-1, 300 K] Movilidad de huecos [cm2 V-1 s-1, 300 K] Resistividad eléctrica [Ω cm] 102 - 103 Fig. 2. Politipos del SiC con sus bicapas correspondientes. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 5. 19 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Fig. 3. Secuencia de apilamiento de cinco politipos de SiC.6 menores a 2000 °C. A temperaturas superiores, el β-SiC se transforma en α-SiC hexagonal.10 El politipo más común arriba de los 2000 °C es el 6H por lo que es común que el 3C se transforme específicamente en 6H. Otras transformaciones β → α y α → α también han sido reportadas, como por ejemplo las 3C → 4H, 3C → 15R, 4H → 6H.11 Las transformaciones politípicas del SiC no solamente están relacionadas a un cambio de temperatura y presión como en las transformaciones polimórficas, sino también a los cambios de esfuerzos e impurezas. Además, las transformaciones con frecuencia son irreversibles. Por ejemplo, el 3C se puede transformar a 6H a temperaturas mayores que 2000 ˚C, pero el 6H no se puede transformar a 3C a temperaturas menores que 2000 ˚C. SÍNTESIS DE SiC Entre los métodos para sintetizar SiC mediante sol-gel se puede destacar el reportado por Nakamura et al.12 en el que se utiliza como precursor un alcóxido metálico y se añade una resina fenólica con el fin de agregar carbono a la reacción; para 20 después realizar una reducción carbotérmica a presión y temperatura controlada en Ar a 1500 °C para la obtención de fibras de β-SiC. De igual manera, Raman et al.8, 13-15 sintetizaron nanofibras de SiC utilizando alcóxidos metálicos de silicio y diferentes precursores de carbono, tales como resina polimérica en solución, carbón verde, grafito, entre otros, para después efectuar una reducción carbotérmica en Ar a 1400 °C, y determinaron que el exceso de carbón residual obtenido podría ser de ayuda para la formación de CO el cual reacciona con SiO para formar SiC. Sevast’yanov et al.16 utilizaron como precursores de carbono diferentes materiales, entre los que se encontraban una resina fenólica, una suspensión de carbón coloidal, alcohol polivinilico, carbón negro (un producto de la síntesis de fullerenos) y nanotubos de carbono. La reducción carbotérmica se llevó a cabo a vacío a 1300 °C y se observó que en los primeros tres precursores de carbono, el SiC era producido en forma de partículas poliédricas con tamaños aproximados entre 40 y 100 nm en más de un 70% del producto; mientras que en los dos restantes precursores, las partículas se aglomeraron formando estructuras compactas Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. con tamaños mayores a 100 nm. White et al.17, 18 utilizaron una ruta sol-gel modificada para sintetizar polímeros de organosilanos de formulas idealizadas (RSiO1.5)n y los pirolizaron para producir SiC. En cuanto al uso de microondas para la formación de compuestos, se puede mencionar a Nagarajan et al.19, los cuales prepararon nanotubos de SiC utilizando un horno de microondas doméstico, llevando a cabo una reducción carbotérmica de sílice con grafito y después introdujeron inmediatamente el producto obtenido en agua helada. Satapathy et al.9 sintetizaron SiC en un microondas tubular a 2.45 GHz, mediante una reacción en estado sólido, por medio de Si y C. Determinaron que es posible la obtención de SiC a partir de los 900 °C, presentándose así mismo Si sin reaccionar, el cual disminuye hasta desaparecer completamente cuando la experimentación se lleva a 1200 °C, obteniendo β-SiC solamente. Aguilar et al. 20-22 prepararon este mismo compuesto por medio de una síntesis sol-gel y microondas, demostrando que el gel polimérico de sílice pirolizado al vacío produce βSiC, posteriormente, Aguilar et al.23 prepararon SiC pirolizando el gel de sílice obtenido del sol-gel en aire en tiempos entre 70 y 120 minutos, obteniendo un material con el mismo aspecto que el obtenido anteriormente a vacío. Al ser caracterizado mediante microscopía electrónica de transmisión, TEM, se obtuvieron distancias interplanares de 0.2513 nm, que coinciden con la distancia obtenida por figuras et al.24 de 0.251 nm para el β-SiC. EXPERIMENTACIÓN En este trabajo se llevaron a cabo dos procesos sol-gel. En el primero se utilizó tetraetoxysilano, TEOS, como precursor de silicio y una resina fenólica como precursor de carbono; mientras que en el segundo proceso sol-gel modificado se utilizó al feniltrimetoxysilano, PhMEOS, como precursor tanto de silicio como de carbono. En ambos se hace uso de reactivos precursores basados en silanos, aprovechando la estructura y polimerización de éstos para la formación de SiC. La hidrólisis de los precursores se efectuó con agua y se utilizaron catalizadores. Después de ello, el gel de sílice obtenido se convierte en el precursor directo del SiC, el cual fue expuesto a microondas en una cavidad multimodo a diferentes tiempos para su pirólisis. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Precursores de silicio y carbono Los reactivos utilizados como precursores de silicio fueron el feniltrimetoxysilano y el tetraetoxysilano (tabla II). Los alcoxilanos poseen excelente estabilidad térmica y son líquidos en un amplio intervalo de temperatura, el cual puede ampliarse si se utilizan sustituyentes de cadenas más largas. Se debe de tener cuidado en el manejo de ésta clase de reactivos, debido a su toxicidad. Los alcoxilanos generalmente exhiben bajos niveles de toxicidad, posiblemente esto puede asociarse a la hidrólisis de sus productos alcohólicos; no obstante, se cita como excepciones al Si(OCH3)4 (tetrametoxysilano), Si(OCH3)3 (trimetoxysilano) y el Si(OCH2CH3)3 (trietoxysilano). Los vapores de estos materiales pueden ser absorbidos directamente dentro del tejido de la córnea causando daño o ceguera total y estos efectos son raramente reversibles. Se aprovechó el grupo aromático del PhMEOS como precursor de carbonos en la reacción de sol-gel modificada, de esta manera, un solo reactivo provee el Si y C. Para la otra reacción de sol-gel, los grupos funcionales metilos (-CH3) se pierden al realizarse la gelificación, por lo que la reacción requiere de un precursor de carbono; como tal, fue elegida una resina fenólica que fue disuelta en acetona y añadida al sol de la síntesis. Solventes Otros de los reactivos usados fueron los alcoholes metanol (CH3OH) y etanol (CH2CH3OH). Estos son utilizados como solventes para la formación de una solución miscible entre los silanos y el agua, la cual hidrolizará a los silanos. Se eligió al metanol y al etanol por su afinidad con los alcóxidos utilizados, ya que presentan los mismos grupos funcionales metil (-CH3) y etil (-CH2CH3), los cuales garantizan su afinidad en solución. Catalizadores Para la realización del experimento se utilizó ácido clorhídrico diluído, HCl, como catalizador de ambas reacciones sol-gel (síntesis sol-gel ácida), ya que facilita la formación del silanol, SiOH, como producto estable de la condensación. Una 21 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Tabla II. Alcoxilanos más comunes. Reactivo Feniltrimetoxysilano (97% Aldrich) Tetraetoxysilano (Grado reactivo 98% Aldrich) Nombre común Fórmula PhMEOS C6H5OSi(OCH3)3 TEOS Si(OCH2CH3)4 Molècula vez realizada la hidrólisis y la condensación, se agregó hidróxido de amonio, NH4OH, el cual es un catalizador para la gelificación. Atmósfera Se utilizó nitrógeno, el reactor fue purgado durante 1 minuto con un flujo de gas de 2.36 L/min, para después reducirlo a 0.471 L/min al comienzo de la experimentación. Esta cantidad es suficiente para permitir que el aire del reactor salga, manteniendo una atmósfera de N2. Esta condición fue extrapolada de una norma ASHRAE 25 para ventilación que recomienda cambiar el aire de una habitación entre 4 y 10 veces por hora, manteniendo un ambiente libre de contaminación. En esta experimentación, el volumen del reactor tuvo una razón de cambio de 112 veces por hora. Microondas Una vez que se tuvieron los geles de sílice, a partir de la síntesis sol-gel, se secaron y fueron colocados en un crisol de alúmina y llevados al microondas para su pirólisis a tres diferentes tiempos: 5, 10 y 15 minutos. Se utilizó la cavidad (figura 4) de un horno de microondas convencional de 2.45 GHz de potencia variable, máximo 1200 W, modificado para efectuar la experimentación. Se fijó la tubería de alimentación del N2 a la lámina inferior de la cavidad, a ras, en donde E es cero. 22 Fig. 4. Dimensiones de la cavidad multimodo utilizada. La zona roja es la apertura por la que pasan las microondas del magnetrón hacia la cavidad. Susceptores Se utilizó como susceptor al α-SiC, el cual se sabe que es un buen absorbedor de microondas a temperatura ambiente y mayores.26 Fue colocado en forma de barra sólida de 3 cm de largo contra 3 mm de diámetro en el centro del crisol de alúmina (figura 5), quedando por encima del gel de sílice para evitar la contaminación del gel con la barra de α-SiC. Una vez que el gel fue pirolizado en el microondas, se quitó cuidadosamente el susceptor y se separó en partes superior, medio e inferior para poder caracterizar la parte media. Pudiera parecer redundante utilizar α-SiC para la formación de nanopartículas de SiC; pero los susceptores más comunes en las microondas son el SiC y el grafito; sin embargo este último es Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Fig. 5. Imagen del sistema dentro del microondas donde se llevó a cabo la pirólisis. altamente reactivo; además, si se utilizara, existiría la incertidumbre sobre si la reacción tomó el carbono de los precursores iniciales o fue obtenido por causa de la contaminación con grafito. La ventaja de utilizar α-SiC como susceptor es que, como se mencionó anteriormente, la formación del α-SiC a través del β-SiC (β-SiC→ α-SiC) no es reversible, por lo que no existe la probabilidad de la formación de β-SiC a partir del susceptor que se está utilizando ni posibilidad de contaminación por la distancia a la que se encuentra. En la figura 6 se muestra un espectro de difracción de rayos X del susceptor utilizado. Fig. 6. Difractograma del susceptor utilizado. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para el proceso sol-gel con PhMEOS (tabla III) se agregó a un vaso de precipitado este precursor, Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 agua bidestilada y metanol en relación molar de 1: 3: 2 y se agitó durante 5 minutos. Se añadió HCl en relación molar con el PhMEOS 1: 0.05 y se agitó durante 30 minutos. Se añadió NH4OH, en relación mol: volumen con respecto al precursor de 1 mol: 60 ml y se esperó 5 minutos. Al obtener el gel en el vaso se dejó envejecer un día; posteriormente, el gel fue lavado y filtrado con agua destilada para eliminar el exceso de NH4OH y de HCl. Las reacciones de hidrólisis y condensación se presentan en la figuras 7 y 8 respectivamente. Se colocó la muestra con el gel lavado en una mufla a 80 °C durante dos días para el secado y luego se molió el gel obtenido en un mortero de porcelana. Para el proceso sol-gel con TEOS y resina fenólica (tabla IV) se agregó a un vaso de precipitado el precursor TEOS, agua bidestilada y etanol en relación molar de 1: 4: 4 y se agitó durante 5 minutos. Se añadió HCl en relación molar con el TEOS 1: 0.05 y se agitó durante 60 minutos. Simultáneamente, se preparó la solución de resina/acetona, en relación de TEOS/acetona = 1 g: 3 ml y se colocó en el agitador ultrasónico 30 minutos. Al terminar los 60 min. de la hidrólisis se agregó la resina, en relación masa TEOS: resina = 1: 1.3 y se agitó otros 60 minutos. Se añadió NH4OH y se agitó con una varilla de vidrio de manera manual de ser necesario. Al obtener el gel en el vaso se dejó envejecer un día; posteriormente el gel fue lavado y filtrado con agua destilada para eliminar el exceso de NH4OH y de HCl. Las reacciones de hidrólisis y condensación se presentan en la figuras 9 y 10 respectivamente. El gel se lavó, secó y molió como en el caso del PhMEOS. El procedimiento para la pirólisis de los geles provenientes del PhMEOS y del TEOS consistió en colocar 1.5 g de muestra en un crisol de alúmina para después colocar el susceptor arriba del gel. Se ubicó el crisol a una altura aproximada de 7 cm de la base en la zona de alta densidad de microondas. Se le colocó una campana de vidrio para mantener la atmósfera de N2 el cual ingresaba por la parte baja de la campana. Los tiempos de exposición fueron de 5, 10 y 15 minutos a 1200 W, con lapsos de 30 minutos de reposo para el horno de microondas entre pruebas. Inicialmente se consideró la medición de la temperatura, pero dado el tamaño de la muestra las lecturas no son confiables, además lo más importante 23 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Tabla III. Reactivos y cantidades necesarias para la formación del gel de sílice del PhMEOS. Reactivo Feniltrimetoxysilano PhMEOS (97% Aldrich) Agua destilada Metanol(ACS Fermont) Fórmula Cantidad [g] Relación C6H5Si(OCH3)3 40 1:1 H 2O 10.9019 3:1 CH3OH 12.9269 2:1 Ácido clorhídrico (1N CRT Scientific) HCl 0.3677 0.05:1 Hidróxido de amonio (CRT Scientific) NH4OH 12.1 [ml] --- Fig. 7. Reacciones de hidrólisis del sol-gel del del PhMEOS. Fig. 8. Reacciones de condensación del sol-gel del del PhMEOS. 24 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Tabla IV. Reactivos y cantidades necesarias para la formación del gel de sílice del TEOS. Reactivo Tetraetoxysilano TEOS (98% Aldrich) Fórmula Cantidad [g] Relación Si(OC2H5)4 41.6656 1:1 H 2O 14.4118 4:1 CH3CH2OH 36.8547 4:1 Agua destilada Etanol (Absoluto ACS Fermont) Ácido clorhídrico (1N CRT Scientific) HCl 0.3646 0.05:1 Hidróxido de amonio (CRT Scientific) NH4OH 12 [ml] --- Resina Fenólica (Baquelita - Metlab) --- 54.1653 1.3 g : 1 g CH3COCH3 162.4859 [ml] 1 g resina : 3 ml acetona Acetona (ACS Fermont) Fig. 9. Reacciones de hidrólisis del sol-gel del TEOS. Fig. 10. Reacciones de condensación del sol-gel del TEOS. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 25 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. y que comprobaría que se había alcanzado la temperatura necesaria para la pirólisis era el producto de la reacción y el aspecto final de la muestra. Se debe tener presente que el calentamiento mediante microondas fue libre, es decir que no hubo control de la temperatura y esta medición únicamente sería un registro. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La muestra para analizar se toma de la sección media, y fue caracterizada por medio de difracción de rayos X con una radiación de CuKα con una longitud de onda de 1.54 Å; y por microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. En la figura 11 se muestran los patrones de difracción de rayos X de las muestras provenientes del precursor PhMEOS pirolizadas a 5, 10 y 15 minutos. En el patrón obtenido a 5 minutos solo coinciden dos de los picos con respecto a los del β-SiC, pero también se nota la existencia de picos a aprox. 28, 39, 54 y 78° correspondientes al grafito. 27-29 Esto nos da la idea de que aún existe carbono presente en la muestra que no ha sido pirolizado; mientras que en las muestras a 10 y 15 minutos se puede notar una mayor cantidad de picos coincidentes con los del β-SiC. Al obtener señales a 76 y 90° se descarta la posibilidad de que se haya formado otro politipo del SiC, ya que estas señales son únicas y características del β-SiC, a diferencia de otras que pueden presentarse en varios politipos. Fig. 11. Espectro de difracción de rayos X de las muestras provenientes del precursor PhMEOS pirolizado durante 5 (MWPhT1), 10 (MWPhT2) y 15 (MWPhT3) minutos. 26 Fig. 12. “Cebollas” de grafito obtenidas en la muestra de gel de sílice con una pirólisis de 5 minutos. La figura 12 presenta una imagen HR-TEM de la muestra MWPhT1, pirolizada en 5 minutos. Se puede observar la formación de estructuras cristalinas redondas, comúnmente llamadas “cebollas” y características del grafito. Al comparar esta imagen con la obtenida por de Street et al. 30 y presentada en la figura 13 se puede confirmar la presencia de carbono libre en forma de grafito, esto coincide con la información obtenida (los picos de carbono) de la difracción de rayos X. Para que esto haya sido posible, se debió de haber llevado a cabo un Fig. 13. Imagen HR-TEM de una “cebolla” de grafito.30 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. rompimiento del grupo funcional fenil del resto de la molécula del PhMEOS para su subsecuente enlazado únicamente entre grupos feniles. En la figura 14 se presenta una HR-TEM de la muestra MWPhT2, la cual fue pirolizada en 10 minutos. Por medio del software Digital Micrograph de GATAN, se obtuvo una imagen filtrada (usando como herramienta la transformación de Fourier) de HR-TEM más nítida de una zona específica. Esta imagen muestra claramente un orden en los planos cristalinos de la partícula (figura 15). Daulton et al. 5 obtuvieron imágenes HR-TEM del SiC calculadas a partir de simulaciones de sus estructuras cristalinas. En la figura 16 se muestra la HR-TEM calculada obtenida por Daulton et al. 5 Con esto se confirma la obtención de β-SiC ya que los otros politipos del SiC son notoriamente diferentes (figura 17), e incluso Fig. 14. Imagen de HR-TEM de la muestra MWPhT2, la cual fue pirolizada en un tiempo de 10 minutos. Fig. 16. Imagen calculada HR-TEM de la muestra pirolizada a 10 minutos. La imagen se muestra invertida para su mejor comparación con la figura 14. Fig. 15. Imagen HR-TEM del β-SiC calculadas a partir de la simulación de la estructuras cristalina. 5 Fig. 17. Imágenes HR-TEM del diferentes politipos de SiC calculadas a partir de la simulación de la estructuras cristalina.5 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 27 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. en muestras formadas por ambos politipos de SiC, la diferencia es notable. 31 En la figura 18 se muestran los patrones de difracción de rayos X de las muestras provenientes del precursor TEOS pirolizadas a 5, 10 y 15 minutos. En estas muestras se observó una mayor concordancia entre los picos obtenidos de las muestras y los reportados en literatura para el β-SiC. 3, 32-35 Así mismo, también se observó la presencia de los picos correspondientes al grafito en todas las muestras. 27-29 Esto se explica por el uso de una resina fenólica como precursor de carbono, lo cual da una mayor concentración de este elemento en las muestras, convirtiendo al Si en el reactivo limitante para la formación de SiC. En la figura 19 se presenta una imagen HR-TEM de la muestra MWTET1, a 5 minutos, en la cual se ven arreglos cristalinos. Por medio del software Digital Micrograph de GATAN se midió la distancia interplanar de la muestra, obteniendo un valor de 2.48 Å, muy cercano al valor de 2.518 Å reportado en las bases de tarjeta de difracción JCPDS 29-1129. En las imágenes HR-TEM del gel de sílice a 15 minutos también se obtuvieron distancias interplanares características del β-SiC. La figura 20 corresponde a la muestra MWTET3 presenta una distancia interplanar de 2.13 Å, la cual es similar a la reportada por Leconte et al. 31 para el plano (200) del β-SiC de 2.17 Å. Fig. 18. Espectro de difracción de rayos X de las muestras provenientes del precursor TEOS pirolizado en 5 (MWTET1), 10 (MWTET2) y 15 (MWTET3) minutos. Fig. 20. Por medio del software Digital Micrograph de GATAN se pudo verificar la distancia interplanar de las partículas, la cual corresponde a 2.13Å. Fig. 19. Imagen HR-TEM de una nanopartícula producto del gel de sílice de TEOS pirolizada a 5 minutos. 28 CONCLUSIÓN En el caso de la síntesis sol-gel con PhMEOS y su posterior pirólisis se demostró que el carbono necesario para la formación del SiC fue obtenido de los precursores agregados. Por medio de la difracción de rayos X, se pudo demostrar la presencia de β-SiC en las muestras pirolizadas a los tres tiempos; encontrando que a 5 minutos de pirólisis, aún se Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. encuentran picos característicos de grafito, esto explica la presencia de estructuras cristalinas tipo “cebollas”, típicas del grafito, en la imagen HR-TEM de la misma muestra. Se obtuvo un patrón de planos cristalinos característico del β-SiC a partir de una imagen HR-TEM, la cual coincide con imágenes reportadas en estudios de dicho material. En el caso de la síntesis sol-gel con TEOS y su posterior pirólisis se comprueba la formación de nanopartículas de tamaños aproximados a los 5 nm con distancias interplanares características del SiC. Los espectros de difracción de rayos X nos manifiestan la existencia de β-SiC en todas las muestras pirolizadas a los tres tiempos, obteniendo la mejor señal en la pirólisis a 15 minutos, donde se confirma la presencia de todos los ángulos característicos del β-SiC. En virtud de lo anterior es posible decir que: se tiene un método que produce nanopartículas de SiC mediante una combinación de sol-gel y microondas, obteniendo un solo politipo β-SiC cuando lo más frecuente en otros procesos es obtener mezclas de este politipo con α-SiC. REFERENCIAS 1. Pepe, A., Galliano, P. G. y Boeri, R. Obtención y Caracterización preliminar de recubrimientos de sílice por Sol-Gel sobre fundiciones. IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, 2000. págs. 871-877. 2. 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Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro Taylor-LQG-Fourier Luis Fernando Sánchez-Gómez, José Antonio de la O Serna Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL fersago.00@gmail.com ; jdelao@ieee.org RESUMEN Recientemente los filtros TaylorK-Kalman-Fourier fueron propuestos para la estimación de fasores dinámicos, los cuales proveen de estimados instantáneos y reducen drásticamente el vector de error (TVE) por un factor de diez. Sin embargo, exhiben frecuencias de resonancia alrededor de la banda de paso, y altas ganancias inter-armónicas. En este artículo, el controlador Óptimo Lineal Cuadrático (LQ) es aplicado para diseñar filtros retroalimentados refiriéndose a los filtros TaylorKLQG-Fourier. Este método reduce las ganancias inter-armónicas y las frecuencias de resonancia alrededor de la banda de paso del filtro TaylorK-Kalman-Fourier. Los estimados de la señal obtenidos a través de esta técnica óptima son cuasiinstantáneos, otorgando estimados instantáneos de frecuencia y su tasa de cambio, preservando la sincronía con la señal para aplicaciones de control. La efectividad del algoritmo propuesto es verificada a través de las simulaciones. PALABRAS CLAVE Controlador Lineal-Cuadrático, Filtro de Kalman, Controlador LinealCuadrático Gaussiano, Fasor Dinámico, Control Óptimo. ABSTRACT Recently TaylorK-Kalman-Fourier filters were proposed for estimating dynamic phasors to provide instantaneous estimates and drastically reduce the total vector error (TVE) by a factor of ten. However, they exhibit resonant frequencies at the edges of the pass-band, and high inter-harmonic gains. In this paper, the optimal linear quadratic (LQ) control is applied to design feedback filters referred to as TaylorK-LQG-Fourier filters. This method reduces the inter-harmonic gains and the resonant frequency at the passband edges of the TaylorK-Kalman-Fourier filter. The estimates from oscillating signals obtained through this optimal technique are quasi-instantaneous, and provide estimates of the instantaneous frequency, and its rate of change, preserving its synchrony with the signal for control applications. The effectiveness of the proposed algorithm is verified through simulations. KEYWORDS Linear-quadratic control, Kalman filter, Linear Quadratic-Gaussian Controller, oscillating phasor, optimal control. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 31 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. INTRODUCCIÓN El monitoreo y control de sistemas de potencia, o cualquier otro sistema cuyo comportamiento sea sinusoidal, dependen de una estimación precisa e instantánea del fasor, especialmente cuando las señales fluctúan. Mejores estimados del fasor bajo condiciones dinámicas son obtenidos mediante un modelo de señal que asume fluctuaciones de amplitud y fase, en lugar del modelo de señal tradicional con parámetros constantes. Actualmente, el problema de estimación fasorial ha atraído mucho la atención, debido a la proliferación de dispositivos electrónicos diseñados para operar bajo condiciones oscilatorias, tal y como las unidades de medición fasorial (PMUs). Este interés se expresa a través de la norma de sincrofasores recientemente revisada. 1 Estimados del fasor bajo condiciones oscilatorios son recientemente propuestos en varios estudios. El filtro TaylorK-Kalman-Fourier (TK-K-F) 2 fue desarrollado para resolver el retardo de la Transformada TaylorKFourier (TFT). 3 La TFT es más apropiada bajo condiciones dinámicas que la Transformada Discreta de Fourier (DFT), sin embargo, ambas presentan un retardo sistemático en los estimados del fasor, mientras que el filtro TaylorK-Kalman-Fourier otorga estimados instantáneos, lo que hace posible su verdadera sincronización para aplicaciones de control. Otra importante ventaja de estos filtros es que otorga estimados no solo del fasor, sino también de sus primeras derivadas. Esto se vuelve importante ya que además de los estimados del fasor durante condiciones oscilatorias o cambios abruptos, también es necesario estimar la frecuencia del sistema, y su tasa de cambio. El objetivo principal de este artículo es mostrar la acción de control del controlador Lineal-Cuadrático basado en el principio de optimalidad de Bellman 4, 5 usando el filtro TaylorK-Kalman como observador para generar los vectores de estado de las muestras disponibles de la señal. Este método óptimo nos conduce al filtro TaylorK-LQG, y los filtros TaylorK-LQG-Fourier con nuevas ganancias de retroalimentación capaces de modificar la trayectoria de los estimados del fasor obtenidos mediante el filtro de Kalman, y mejorando su respuesta en frecuencia. Este trabajo fue motivado por la búsqueda del método 32 optimum optimorum para la estimación fasorial bajo condiciones dinámicas. Se pretende saber cuál entre mínimos cuadrados ponderados (LMS), filtro de Kalman, o el algoritmo lineal cuadrático es la mejor opción para este propósito. Todos ellos claman de ser el óptimo, pero en esta implementación emergen dificultades como se muestra en este artículo: El algoritmo del LQ no puede operar sobre las muestras disponibles de la señal, esta implementación requiere de un observador para generar los estados de la señal. En este artículo usamos el algoritmo de Kalman para cumplir con este propósito, de esta manera un método híbrido es encontrado. Por supuesto, muchas otras estrategias son posibles, es por eso que mostramos los resultados de este trabajo para estimular la investigación en este campo interesante. La principal contribución de este artículo es proveer una nueva clase de filtros, desarrollados a partir de la modificación el algoritmo clásico del LQG, y demostrar que estos filtros son capaces de mejorar la respuesta de magnitud de los filtros TK-K y TK-K-F, reduciendo sus altas frecuencias de resonancia en las bandas subarmónicas. El método LQG con un modelo flexible de la señal estima fasores de las señales de oscilación con la suficiente precisión y proporciona estimaciones fasoriales cuasi-instantáneas. Modelo de la Señal Pasabanda El filtro TK-K presentado por de la O Serna y Rodriguez-Maldonado 6 está basado en un modelo de señal con amplitud y fase como funciones variantes en el tiempo que definen las dinámicas de oscilación de la envolvente compleja. Una breve síntesis de este desarrollo se presenta con el fin de hacer de este documento más completo. En sistemas de potencia las oscilaciones de amplitud y fase pueden ser modeladas completamente por una señal pasabanda de la forma: (1) siendo a(t) la amplitud de la señal s(t) y φ(t) su fase relativa a su frecuencia fundamental ƒ1 (la derivada φ’(t) corresponde a la desviación de frecuencia instantánea). También se supone en este artículo que s(t) es de banda estrecha, es decir, su espectro se encuentra confinado dentro de una banda estrecha alrededor de la frecuencia fundamental ƒ 1. En términos de funciones exponenciales complejas, el Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. modelo de la señal puede ser simplificado como: (2) Donde p(t)=a(t)ejφ(t) es la envolvente compleja de la señal pasabanda s(t), mejor conocida como fasor oscilatorio de la oscilación. Dicho fasor es representado por una función compleja expresada en forma polar, en la cual a(t) y φ(t) son modulaciones de amplitud y fase de s(t), respectivamente. La función compleja del fasor oscilatorio p(t), puede ser aproximada por un K-ésimo polinomio de Taylor centrado en t0: (3) a partir de las derivadas de sus curvas del polinomio de Taylor, es posible obtener la matriz de transición de estados. Para τ=t-t 0 se tiene: (4) Note que la transición de estados está dada por: (5) donde pK(t) es el vector de estado, y la matriz de transición de estados se compone de la siguiente forma: (6) Para un determinado grado del polinomio de Taylor, esta aproximación es más exacta cuando t→t 0 si p(t) es una función suave. El modelo truncado puede ser aplicado en cualquier instante de tiempo t 0 con precisión suficiente, siempre que el intervalo de tiempo τ sea corto. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Esta condición se logra entre dos muestras de la señal ya que generalmente los muestreadores se aplican con periodos de muestreo muy cortos con respecto al periodo fundamental T 1=1/f 1. En este artículo se supone que la señal es muestreada a N1=16 muestras por ciclo, entonces τ=T1/16. El modelo de la señal truncado es dado por: (7) donde rK (t) es el fasor rotado, y hT extrae su primera componente, por ejemplo el vector h T=(1 0 -- 1), con K ceros. Suponiendo t0=(n-1)τ y t=nτ se tiene la transición de estados rotados discretos: (8) Donde ψ1 es el factor de fase ψ 1= e jθ1, c o r r e s p o n d i e n t e a l a f r e c u e n c i a fundamental en radianes (θ 1 =j2πf 1 τ=j2π/N). Finalmente, se obtiene la ecuación del estado de transición discreto como: (9) Y el modelo truncado de la señal: (10) Esta ecuación muestra la dependencia instantánea del modelo de señal en el fasor dinámico. El filtro Taylor-Kalman es un seguidor de señal que opera como un desintegrador instantáneo de señal, lo que ocurrirá cuando la señal de entrada esté contenida en el subespacio generado por el modelo de señal en lazo cerrado. Para el subespacio de segundo orden (K=2), es precisamente el caso de oscilaciones suaves numéricos, en donde se alcanzan errores de estimación de señal de millonésimas. La matriz de transición de estados en (9) es compleja 2(K+1)×2(K+1) y trabaja con los fasores rotados, así que para obtener los estimados del fasor dinámico, deben anti-rotarse. Note que el modelo de espacio de estados en (9) contiene la información genética del desarrollo de la trayectoria compleja de una muestra a la siguiente. El modelo en estado estable de la señal (K=0) obligaría al fasor a moverse en círculos de una muestra a la siguiente. Con la matriz de transición de estados de Taylor (6), se permite a 33 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. los estimados del fasor moverse en trayectorias más flexibles, acotadas por el termino de Taylor de mayor orden en el polinomio. A continuación se muestra cómo es que los modelos truncados de la señal se incorporan dentro del controlador LinealCuadrático. Este filtro con base en el controlador, descompone la señal de entrada en las componentes de un vector de estados. La descomposición del LQG y sus estimaciones son cuasi-instantáneas, es decir, contienen un retardo muy pequeño que es imperceptible para la estimación del fasor. Controlador Lineal-Cuadrático Gaussiano Como se acaba de mostrar, el espacio de estados del modelo dinámico de la señal incorpora las derivadas de la envolvente compleja. En lugar de utilizar solo el algoritmo de Kalman, 6 en este artículo la incorporación del controlador LQ conduce a la implementación del LQG, el cual aplica la ley de control del algoritmo del LQ como retroalimentación del vector de estado proporcionado por el filtro óptimo de Kalman. El control LQG puede ser aplicado tanto en sistemas invariantes en el tiempo así como en sistemas variantes en el tiempo. 7 Esta última característica permite diseñar controladores de retroalimentación lineal para sistemas de no lineales inciertos. El controlador LQG es resuelto mediante el siguiente par de ecuaciones de Riccati: (11) (12) En estas ecuaciones, Φ es la matriz de transición de estados, S es la solución positiva de la ecuación (11), la cual provee las ganancias óptimas del controlador LQ, y P es la solución positiva y simétrica de (12) que resuelve el problema de estimación lineal-cuadrática, necesaria en el diseño del filtro de Kalman. 8 Las ecuaciones algebraicas discretas de Riccati, (11) y (12) son las siguientes. 9 (13) se nota la similitud entre ellas, lo que se conoce como dualidad.11 Se trata de dos esquemas que juntos resuelven el problema de control LQG. Cada esquema puede ser separado y resuelto de manera independiente mediante el principio de separación. 11 En contraste con este principio y la solución clásica del LQG, 12 este trabajo propone una alternativa del controlador LQG, la cual consiste en resolver ambos esquemas a través de la ecuación en diferencias de Riccati (12), substrayendo la ecuación (11). Los observadores obtenidos mediante este algoritmo son capaces de mejorar las estimaciones fasoriales en condiciones oscilatorias. El espacio de estados del modelo de señal usado en el algoritmo del LQG es obtenido de las derivadas del polinomio de K-ésimo orden de Taylor, correspondiente a una aproximación de Taylor del modelo de la señal pasabanda dada una señal de entrada. Controlador LQ y Filtro de Kalman El algoritmo del controlador LQG se presenta a continuación. El diagrama esquemático se ilustra en la figura 1. Está basado en la siguiente ecuación de estado: (15) donde x(n) y Φ son el vector de estado y la matriz de transición de estados definida en (9), Γ es el vector de entrada con 2(K+1) unos, para retroalimentar igualmente a los estados del sistema, mientras u(n) es la entrada proporcionada por la retroalimentación del LQG, y v(n) es ruido blanco gaussiano (WGN). Por otro lado, el modelo de observación es: (16) (14) La ecuación (13) tiene la particularidad que es resuelta hacia atrás. 4 Observando ambas ecuaciones, 34 Fig. 1. Diagrama General del Sistema. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. el cual corresponde al modelo de señal en (10), pero afectado por WGN aditivo ω(n). Finalmente, el algoritmo recursivo LQG es formado básicamente de dos principales secuencias: la primera (I) calcula el vector de ganancias hasta que las ganancias de Kalman se encuentran en estado estable, mientras que la segunda (II) filtra la señal mediante la aplicación de las ganancias en estado estable. Los pasos para ambas secuencias para el n-ésimo ciclo aparece a continuación: I. Para n de 1 hasta Nss A. Actualización del estado 1) Predicción del estado (17) 2)Error de Covarianza a Priori (18) B. Actualización de la Medición 1) Ganancia de Kalman (19) 2) Corrección del Estado (20) 3) Error de Covarianza a Posteriori (21) 4) Ganancia LQ (22) donde σv y σω son las varianzas de entrada y la medición de ruido, respectivamente. r=1 se refiere al peso de control para un sistema de entrada singular y salida singular; si r es muy grande, cancela el efecto de retroalimentación de L. El proceso comienza con x(0)=0, y P(0)=1×109 para la matriz de error de covarianza inicial desconocida del estado. Una vez que las ganancias de Kalman se encuentran en K̅ = K(N ss), la ley de control LQ es aplicada mediante la siguiente secuencia: II. Para n de n>Nss hasta Nend C. Estado de retroalimentación 1) Predicción del estado (23) 2) Actualización del estado (24) Note que la predicción del estado en (23) contiene la ley de control del algoritmo LQG propuesto, el 2 2 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 cual difiere de la clásica (u(n)=-L ̅x ̂(n-1)). Esta peculiaridad es explicada en el siguiente párrafo. Vale la pena señalar también que la carga computacional del proceso de filtrado LQG se reduce sólo a (23), (24) y la antirotación. El algoritmo propuesto es entonces una estrategia sofisticada del LQG basada en la solución del LQ y el algoritmo del filtro de Kalman mediante (24). Para más implementaciones alternativas, conocidas como estrategias sofisticadas. 13 El sistema LQG es resuelto por (14) en lugar del par de ecuaciones de Riccati, porque en esta aplicación solo disponemos de las muestras de señal. Esta ecuación contiene en su estructura fundamental, el vector H el cual extrae el fasor y conjugado complejo que sintetiza la componente de señal, proporcionando la matriz P de la cual K(n) y L(n) son calculadas. Note que el factor inverso en el último termino en (14) es escalar, por lo tanto puede definir la matriz Q=HTH, la cual pondera P(n), de tal modo que los elementos de P que tienen que ver con el primer estado y su complejo conjugado permanezcan, anulando los elementos relacionados con los otros estados. El mismo principio puede ser usado cuando el factor inverso es matricial. En este caso el lema de inversión de matrices puede ser usado. Esta es la razón por la cual solo se implementa (14). Una vez que las ganancias estables de Kalman son obtenidas como en la referencia 6, la matriz de transición de estados propuesta en (23) del controlador óptimo LQ es la siguiente: (25) Esta matriz de transición es propuesta en lugar de la clásica (Φ-ΓL ̅ ) porque es inestable, con dos muy lejos raíces fuera del círculo unitario. Este inconveniente fue resuelto transponiendo la matriz ΓL ̅ como se indica en (25) para asegurar estabilidad. De hecho la matriz transpuesta tiene en cada una de sus filas, cada una de las ganancias de L correspondientes; de esta manera, el mismo valor constante es sustraído de cada fila de Φ, asegurando la estabilidad en nuestro caso. Esta opción es posible porque la ley de control no tiene restricciones de diseño, y la transpuesta conserva el rango de la matriz. 14, 15 Por otro lado, esta solución puede ejecutarse junto con el algoritmo de Kalman, formando un sistema híbrido de control. Las ganancias LQ del sistema son fijadas junto con las ganancias de Kalman, es decir, L ̅=L(Nss). 35 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. En este artículo, las ganancias de Kalman son fijadas cuando se alcanza el primer estado estable, como en la referencia 6. Otro criterio de paro para las ganancias de Kalman puede ser consultado en la referencia16. La aproximación propuesta LQG en (22) está basada en la idea de que la ecuación solución para Kalman (14) provee mejor estabilidad ya que toma en cuenta las matrices Γ y H. Pero, incluso si no se tiene una justificación teórica para explicar por qué el estimador propuesto funciona correctamente, la eficencia del algoritmo propuesto se verifica a través de las simulaciones y los resultados experimentales de la siguiente sección. Resultados Numéricos Esta sección ilustra los estimados del fasor y sus primeras derivadas de la señal oscilatoria, al igual que las señales de prueba del estándar 1 con un paso en amplitud y fase, y una rampa en frecuencia. A. Señal Oscilatoria De acuerdo con la señal pasabanda (1), se diseña una señal de prueba mediante las siguientes funciones de amplitud y fase para una portadora a f1=60 Hz: Fig. 2. Estimación de Amplitud y Fase usando el algoritmo LQG con φ0. mostrados a continuación. El incremento en el orden del modelo de señal, los cuales son más cercanos a las funciones ideales amplitud y fase, pueden ser vistos en la figura 3. Los errores de amplitud y fase para K=0 y K=2 son mostrados en la figura 4. Por otro lado, la figura 5 muestra los estimados de las primeras derivadas de (a) amplitud y (b) fase. Las derivadas corresponden a la velocidad de la amplitud de la oscilación y a la frecuencia de (26) cuyos parámetros son: a0=1, a1=0.1, y fa = 5 Hz, para la amplitud y φ0=1, φ1=0.1, y fφ = 5 Hz, para la fase. Otras características de la señal son σv2=0.01 y σ ω2=10 -4, en otras palabras las varianzas de entrada y la medición de ruido, respectivamente. Esto corresponde a una relación señal-ruido de 37 dB, equivalente a la producida por un convertidor análogo-digital de 6 bits. 1) Modelo de Orden Cero: El algoritmo LQG con el modelo de orden cero Φ0, el cual corresponde al modelo tradicional con amplitud y fase constante, no mejora los resultados del filtro TaylorKKalman visto en la referencia 6 como se puede ver en la figura 2. Se puede ver el mismo efecto corrugado y el retardo en los estimados, lo que demuestra que el supuesto contante excluye la información necesaria para estimar las fluctuaciones. 2) Modelo de Orden Dos: Los resultados obtenidos con el modelo de orden dos Φ2, son 36 Fig. 3. Estimación de Amplitud y Fase usando el algoritmo LQG con φ2. offset (con respecto a la frecuencia fundamental), respectivamente. Aparentemente dichos estimados no son suaves como los estimados del fasor, debido a su aparente comportamiento ondulatorio. La calidad de los estimados LQG es baja respecto a los estimados obtenidos con el filtro de Kalman en la referencia 6. La figura 6 ilustra el error absoluto Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. alcanzado. Se puede observar que el error se debe principalmente a un retraso aparente. El vector de ganancias de Kalman de este ejemplo fue tomado de su primer periodo de estado estable ocurrido al final del primer ciclo. Se observa que en el primer ciclo fundamental, el comportamiento de los estimados es similar al mostrado en figuras previas, pero después de ese intervalo de tiempo, las ganancias se degradan adoptando un comportamiento muy similar al del modelo de orden cero. Entonces el vector de ganancias de Kalman es fijado en su primer periodo de estado estable. La primera mitad del vector de ganancias es el siguiente: Fig. 4. Error relativo de amplitud y error absoluto de fase. Donde la segunda mitad es el conjugado complejo de la primera. Mientras que el vector de ganancias correspondiente del controlador LQ, es fijado en el mismo instante de tiempo que el vector de Kalman, obteniéndose: Una vez que estas se estabilizan, la respuesta en frecuencia del filtro y su comportamiento dinámico son invariantes, como se puede ver a continuación. Fig. 5. Estimados de velocidad y frecuencia del LQG con φ2. Fig. 6. Error absoluto de velocidad y frecuencia con Φ2. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 B. Señal con Paso en Amplitud y Fase La figura 7 ilustra los errores de estimación sobre (a) amplitud y (b) fase de la señal con un paso de escalón de 1 a 1.1ejπ/18 en t=0, como es indicado en la referencia 1, mientras que en la figura 8 se muestran los estimados de sus derivadas, respectivamente. . Fig. 7. Errores de estimación en amplitud y f a s e o b t e n i d o s c o n l o s f i l t r o s T 2- K y T 2LQG de la señal con un paso en amplitud y fase. 37 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. Como se puede observar, tomando en cuenta una banda de tolerancia del 5%, 14 el tiempo de asentamiento es aproximadamente de 2 ciclos, haciendo que el transitorio presentado por el LQG sea mejor que el del filtro de Kalman. Fig. 8. Estimados de la primera derivada de amplitud y fase obtenidos con los filtros T2-K y T2-LQG de la señal con un paso en amplitud y fase. C. Análisis de Sensibilidad al Ruido Otro análisis interesante tiene que ver con la sensibilidad de los estimadores ante WGN aditivo en la señal de estado estable. La figura 9 muestra el nivel de ruido en la amplitud de salida en dB, así como la cota de CramerRao (CRB), cuando el SNR de la señal de entrada se incrementa. Como podemos ver, ambos filtros tienen sensibilidad al ruido similar, la cual es 1.25 mayor que la CRB en 10 dB y casi igual a 100 dB de SNR. D. Señal con rampa en frecuencia La figura 10 ilustra los estimados de (a) amplitud y (b) fase de la señal con una rampa de frecuencia de 2 Hz/s, mientras que la figura 11 los estimados de sus derivadas, respectivamente. Podemos ver que los estimados de fase son mejores que los de amplitud. La respuesta en frecuencia del algoritmo LQG tiene una ganancia plana superior más corta que el filtro de Kalman, esto es porque la amplitud de los estimados del algoritmo LQG son más altos que los del filtro de Kalman. Con respecto a los Fig. 10. Estimados de magnitud y fase obtenidos con los filtros T2-K y T2-LQG de la señal con una rampa en frecuencia. Fig. 11. Señal con rampa de frecuencia. estimados de las derivadas, podemos ver que los estimados de frecuencia de ambos filtros son bastante bueno, y la rampa en frecuencia es vista como un incremento en amplitud por ambos filtros. Nuevamente, el algoritmo LQG es peor que Kalman. Fig. 9. Nivel de ruido en la amplitud de salida de los filtros T2-K y T2-LQG cuando la entrada es una señal de estado estable con ruido aditivo. 38 RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL FILTRO TAYLOR-LQG La respuesta en frecuencia del filtro Taylor-LQG es obtenida a través de la transformada z de la ecuación de estado (27) Con la ganancia de Kalman K en estado estable. La transformada z de (27) es Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. (28) y resolviendo para x ̂(z), se tiene (29) Entonces la función de transferencia entre los estados del modelo de la señal y la señal de entrada está dada por (30) dos derivadas. La figura 13 muestra la respuesta de magnitud del primer (gráfico superior) y segundo (gráfico inferior) derivador estimado. Ambos filtros también tienen ganancia nula alrededor de la Y las respuestas en frecuencia de los estados del filtro se obtienen evaluando la función de transferencia en G(z) a z=ejθ, para -π<θ≤π. A. Respuesta en Frecuencia del Filtro Taylor2-LQG Los gráficos (a) y (b) en la figura 12 muestran la respuesta de magnitud y fase de los estimados del fasor del filtro. A diferencia de la respuesta de magnitud del filtro de Kalman, vista en la referencia 2, la respuesta de magnitud del filtro LQG no exhibe frecuencia de resonancia cercana a la frecuencia nula; sin embargo, continúa presentando ganancias armónicas altas. Por lo tanto el filtro trabaja solamente cuando el espectro de la señal está confinado dentro de los intervalos de las ganancias planas. Una característica importante, es la respuesta de fase que es casi nula alrededor de la frecuencia fundamental. Esto significa que los estimados del fasor proporcionados por el filtro son cuasiinstantáneos. Esto explica por qué las estimaciones fasoriales mostradas en la figura 3 son muy cercanas a la señal dada. El algoritmo del filtro Taylor2-LQG provee también de los estimados de las primeras Fig. 12. Respuesta en frecuencia del Filtro Taylor2-LQG para varias frecuencias de muestreo. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Fig. 13. Respuesta en Magnitud del primer y segundo diferenciador del filtro Taylor2-LQG frecuencia fundamental negativa, lo que significa que rechaza esa componente. Estos filtros también exhiben altas ganancias armónicas lo que significa que son muy sensibles al ruido esperado. B. Efecto de la Ganancia de Retroalimentación El comportamiento mostrado por el filtro Taylor2LQG difiere muy poco respecto al comportamiento del filtro Taylor2-Kalman, que a pesar de que las ganancias del controlador LQG son relativamente pequeñas, son suficientes para mover los polos y ceros modificando el comportamiento del filtro, y reduciendo las resonancias mostradas en la referencia 12. Fig. 14. Polos y Ceros del filtro Taylor2-Kalman en lazo cerrado. 39 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. Por lo tanto son capaces de redefinir la trayectoria óptima proporcionada por el filtro de Kalman. Esto es debido a que las ganancias L ̅ mueven la posiciones de polos y ceros de la figura 14 a los mostrados en la figura 15. El principal cambio consiste en reducir los módulos del par complejos de polos y ceros, los cuales acortan la respuesta al impulso del filtro. Este cambio los diferenciadores alrededor de cada armónica, la matriz de transición de estados del modelo de señal necesita ser extendida para todas las armónicas de interés. Por ejemplo, se la señal es muestreada a N=2l muestras por periodo, y todas las armónicas son incluidas, entonces la matriz de transición extendida es de la forma: (31) Fig. 15. Polos y Ceros del filtro Taylor2-LQG en lazo cerrado. Como se puede ver, la matriz de transición TaylorFourier es una matriz diagonal cuyos elementos son la submatriz Φ2 multiplicada por los factores de fase rotatorios {ψk, k=0,1,…,15}. La matriz extendida es (K+1)N×(K+1)N; sin embargo, el costo computacional para calcular la transición de un estado no es [(K+1)N]2, sino [(K+1) ]2 N/2 debido a su naturaleza diagonal, y la forma triangular superior de ΦK. Esta reducción es importante porque una vez que las ganancias de Kalman son estables, el algoritmo del LQG es ejecutado solo con las ecuaciones de predicción del estado. (23) y la actualización del estado (24). El vector H de la ecuación de salida (16), para K=2, es de la forma: (32) Entonces se requieren sólo N productos para estimar la señal del vector de estado. Fig. 16. Respuesta Impulsional de puede ser mejor apreciado comparando las respuestas al impulso de ambos filtros en la figura 16. Note una respuesta al impulso con ligeras oscilaciones, con una concentración de energía cerca del origen. Filtro TaylorK-LQG-Fourier El filtro Taylor K-LQG garantiza ganancias ideales del diferenciador alrededor de la frecuencia fundamental. Para obtener ganancias ideales para 40 A. Taylor2-LQG-Fourier La figura 17 muestra la repuesta en magnitud y fase de las primeras armónicas del filtro Taylor2LQG-Fourier, junto a la respuesta del filtro Taylor2-Kalman-Fourier. Note que ambos filtros se comportan como un filtro valla, es decir, extrae una armónica oscilante, rechazando el resto. Además, las altas ganancias interarmónicas son mitigadas considerablemente, y las ganancias planas nulas son preservadas, aunque sus intervalos sean más estrechos. Por otro lado, la respuesta de fase bajo la banda de paso ideal sigue siendo nula plana, indicando un retraso insignificante en los estimados del fasor. Una gran ventaja de estos estimados, es que son de gran utilidad para aplicaciones de control. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. del fasor, junto a los estimados de los derivados del filtro de Kalman, ya que ambos son aplicados simultáneamente en el algoritmo propuesto. De esta manera, en la siguiente sección ilustraremos los resultados obtenidos con ambas técnicas. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se analizan los estimados fasoriales de las señales de (a) voltaje y (b) corriente mostradas en la figura 19. Dichas señales fueron muestreadas a una tasa Fig. 17. Respuesta en Frecuencia del Filtro T2-LQG-F. Fig. 19. Señales de voltaje y corriente. de 16 muestras por ciclo de un sistema de potencia de Sudamérica. Fig. 18. Respuesta de Magnitud del primer y segundo diferenciador asociados al Filtro T2-LQG-F. La figura 18 muestra la respuesta de magnitud para el (a) primer y (b) segundo diferenciador del fasor. Note que cercanos a la frecuencia fundamental la respuesta de magnitud exhibe ganancias del diferenciador ideales. Sin embargo, ambos diferenciadores pierden sus ganancias nulas planas alrededor del resto de los armónicos. En lugar de ello, exhiben ganancias parabólicas alrededor de estas frecuencias. Esto significa que cada estimado de los derivados armónicos contendrá la infiltración de los segundos derivados del resto de los armónicos. Entonces, el algoritmo LQG mejora los estimados del fasor del filtro de Kalman pero empeora los estimados de sus derivados. Este inconveniente puede ser resuelto tomando del LQG los estimados Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 A. Señal de Voltaje Los módulos de los estimados fasoriales de la señal de voltaje son mostrados en la figura 20 (a), con el error de estimación de la reconstrucción de Fig. 20. Estimados de Amplitud de la señal de voltaje (a) y error de reconstrucción de señal (b). 41 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. la señal en el gráfico (b). Dado que no contamos con una envolvente teórica, no podemos estimar el error fasorial, como en el caso de la señal teórica. Estos resultados son obtenidos con el filtro LQG con K=0 y K=2. Es evidente que las fluctuaciones de voltaje crecen con el tiempo, con valles más profundos. También es notorio que el error de estimación de la señal disminuye cuando el grado de los polinomios de Taylor aumenta. Note que el nivel del error de estimación de la señal es muy bajo, indicando un muy buen estimador de señal. Sin embargo, nuestro problema no es estimar la señal, sino los parámetros del fasor. De modo que, los bajos niveles de los errores de la señal se obtienen con las estimaciones de la amplitud del fasor contaminado por ruido proporcionados por el modelo de segundo orden. El gráfico (a) en la figura 21 muestra los Fig. 21. Estimados de Amplitud de la señal de voltaje (a) y su primer y segunda derivada en (b) y (c). Fig. 22. Estimados de fase de voltaje (a) y primer y segunda derivada en (b) y (c). 42 estimados de amplitud del LQG y Kalman, con los primeros y segundos derivados de Kalman en los gráficos (b) y (c), respectivamente. Es claramente visible que las estimaciones de amplitud de la señal de voltaje difieren un poco. Podemos ver que los estimados de sus derivados, incluso si son ruidosos, se pueden utilizar para detectar los puntos críticos de la señal de amplitud. La misma conclusión se puede sacar de las estimaciones de fase en la figura 22, que corresponden a las estimaciones de fase del LQG, y Kalman de la fluctuación de la frecuencia fundamental y su tasa de cambio, respectivamente. B. Señal de Corriente Los estimados de la señal de corriente se muestran en las figuras 23-25, conteniendo parámetros equivalentes de la señal de voltaje en las figuras 20-22. Podemos ver en el gráfico (a) de la figura 23, que las estimaciones de amplitud son bastantes similares, además de que la señal de corriente está creciendo, indicando inestabilidad en el sistema de potencia. El nivel de error alcanzado por las estimaciones de señal de corriente es similar a la de la señal de voltaje. Por otro lado, las estimaciones de los derivados de amplitud y fase que se ilustran en las figuras 24 y 25, tienen las mismas propiedades que se encuentran en las estimaciones de la señal de voltaje. Del análisis de la señal de voltaje y corriente se puede concluir que el sistema está en un estado de pesado estrés. Sin embargo, las estimaciones son bastante buenas, y se pueden utilizar en aplicaciones de control a causa de su retardo insignificante. Fig. 23. Estimados de amplitud de la señal de corriente (a) y error de reconstrucción de señal. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. Bellman en el problema de estimación fasorial, pero más trabajo de investigación se debe hacer para encontrar mejores soluciones alternativas. Por ejemplo, para implicar a los derivados de señal en el error con mayores ganancias en el vector de entrada, o mediante la propuesta de una matriz de entrada en lugar de un vector. Fig. 24. Estimados de amplitud de corriente (a) y primer y segunda derivada en (b) y (c). Fig. 25. Estimados de fase de corriente (a) y primer y segunda derivada en (b) y (c). La aplicación del principio de Optimalidad de Bellman en el lazo de control LQ de un sistema modelado es un algoritmo óptimo clásico. Sin embargo, como en nuestro problema de estimación del fasor solo tenemos la señal disponible, el algoritmo de Kalman es usado para proveer de los estimados de estado requeridos por el algoritmo LQ. Además la solución LQR produjo estimaciones fasoriales muy pobres, independientemente del orden de Taylor utilizado en el modelo de señal. Finalmente, la ley de control clásica rindió soluciones inestables. La solución propuesta resuelve estos inconvenientes. Esta solución es sugerida como un punto de partida en un proceso iterativo de selección.17-19 En este primer intento, se utilizaron los criterios descritos en el documento para abrir el camino a la aplicación del principio de la Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 CONCLUSIÓN Es posible aplicar la acción de control LQ en los filtros TK-K y TK-K-F para mejorar los estimados del fasor. La principal ventaja de los filtros LQG es que mejoran la respuesta en magnitud reduciendo las frecuencias resonantes cercanas a la frecuencia fundamental, así como las ganancias de interarmónicas el filtro de Kalman. Sin embargo, el control LQ degrada los estimados de las derivadas del filtro de Kalman. Por lo tanto, el esquema propuesto en este trabajo consiste en tomar las estimaciones del fasor del filtro LQG, y las estimaciones de sus derivadas del filtro de Kalman. REFERENCIAS 1. 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Describe la relación entre el diseño ideal por computadora y las desviaciones naturales del proceso de construcción. Para la calibración cinemática del brazo se utilizan las funciones de transformación geométrica 3D. La calibración de forma se logra a través de un cuadro experimental de mediciones utilizando un patrón de FIMcalibración. Como resultado se muestra la digitalización de un objeto 2D en el espacio R3. PALABRAS CLAVE Máquinas de coordenadas, digitalizador 3D. ABSTRACT The geometric reconstruction and measurement plays a key role in manufacturing. In the last ten years the 3D technology has become more popular, but the market demands such technology to be cheaper, faster and easier to use. This work presents the design and construction of a measurement arm, to be used as a 3D scanner. The work also describes the relation between ideal design and natural production deviations. For the kinematic calibration 3D transformations were used. The form calibration is achieved through pattern measurement experiments. As preliminary result 2D scanned objects in R3 are presented. KEYWORDS Coordinate Measuring Machines, 3D scanner. INTRODUCCIÓN La digitalización de geometrías tridimensionales se ha convertido en un proceso crítico que apoya fuertemente la manufactura. Hoy en día existe suficiente oferta de digitalizadores 3D en el mercado. Las limitaciones de dichos sistemas han sido objeto de investigaciones como las de Iuliano et al. 1, Yang et al. 2 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 45 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Wu et al. 3 Aunque la implementación de dichas tecnologías ha llegado completamente a los trenes productivos, 4-6 en el caso de México no han penetrado significativamente al mercado nacional. Ver la Prospectiva Tecnológica Industrial de México 2002-2012 en el Sector 8 Diseño y Automatización, área 8.1 Diseño. El proceso de producción para objetos con superficies complejas 7, 8 permite {1} la digitalización de objetos con facilidades que implican usuarios con el mínimo de requerimientos cognitivos; ello abarata el proceso y permite una mejora de las características estéticas y funcionales del producto (optimización del proceso de diseño con la introducción de métodos de ingeniería inversa); {2} nuevas funciones para el diseño estilístico, para permitir mejores resultados: mejor calidad y menor tiempo invertido en el diseño y {3} una arquitectura nueva de sistema tipo modular, que permitirá a las pequeñas y medianas empresas acceder a los sistemas de diseño alternativo, hasta ahora fundamentalmente usados por las grandes empresas. El objetivo principal es reconstruir en computadora la geometría de un objeto. Para lograrlo es necesario alcanzar las metas: • Diseñar y construir un sistema propio para la captura de coordenadas espaciales. • Compensar los errores mecánicos y elaborar algoritmos de cálculo. • Enlazar los algoritmos con una interfaz flexible dentro de un programa de CAD comercial. El presente proyecto apoya los trabajos desarrollados por los autores sobre optimización geométrica usando algoritmos de crecimiento biológico,9-13 en el desarrollo de un sistema que permita la digitalización de objetos de geometría compleja.14-16 por TCP (Tool Center Point). El cálculo de las coordenadas del TCP incluye no solamente el análisis del mecanismo, sino también las consideraciones de calibración individual de los componentes, así como el de todo el sistema en general. Si el TCP está posicionado en un objeto, las coordenadas del TCP serán las del punto de contacto de la probeta con el objeto. El uso exhaustivo de esta condición permite la captura de puntos a lo largo del objeto, y por lo tanto, de la geometría de éste. La metodología utilizada para la construcción del brazo digitalizador fué: • Modelo cinemático, construcción y ensamble de los elementos mecánicos. • Calibración cinemática y de forma. • Programación de algoritmos para el cálculo utilizando transformaciones geométricas. • Creación de la interfase de usuario. • Pruebas de medición. La calibración cinemática calibra los parámetros de las funciones de cinemática directa que describen el mecanismo. 17-20 Se calculan los valores tridimensionales de posición y orientación suponiendo que cada miembro es perfecto y no se ve afectado por factores tales como deformaciones por fuerza, temperatura, etc. La calibración de forma calibra los errores de ensamble y construcción. 21, 22 Una vez calibrado, si se coloca el brazo de tal forma que el TCP toque a un objeto en cuestión, por compensación geométrica es posible calcular el valor de coordenadas del punto del objeto que se está tocando. Un sistema electrónico supervisa codificadores angulares de cada grado de libertad. Los valores angulares son los datos de entrada de un algoritmo para el cálculo del TCP, y a través de la transferencia a un ambiente CAD de computadora. Esto convierte al brazo en una máquina de medición. METODOLOGÍA El brazo es un mecanismo articulado sin elementos motrices para ser movido y colocado de forma manual, manteniendo el sistema de referencia fijo. Cada articulación tiene acoplado un sensor digital, que codifica el valor angular de la articulación. La punta consta de un palpador recto o probeta, cuyo punto de contacto en la jerga técnica es conocido MODELO CINEMÁTICO DEL MECANISMO Sea {L} (ecuación 2) el vector de valores de construcción y {θ} (ecuación 3) el vector de valores de posición. La ecuación (1a) calcula la traslación para cualquier sistema local de coordenadas, mientras que las ecuaciones (1b, 1c, 1d) calculan las rotaciones X,Y,Z de los ejes locales con respecto al sistema universal. 46 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Las distancia entre cada articulación de la cadena son: LT = (1 4 6.25 3.69 4 4 0.5 0.5) (ec. 2) Los valores angulares están dados por la constante de resolución del codificador angular y el valor numérico del contador de pulsos: (ec. 3) El vector {P} representa los ejes locales de cada articulación. (figura 1). (4) Fig. 1. Ensamble completo del brazo digitalizador. Se destacan el sistema de referencia XYZ y el punto final del brazo TCP. (1a) (1b) (1c) (1d) Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Nótese que los argumentos de la transformación lineal y la posición en la multiplicación matricial de las rotaciones Rx, Ry, Rz identifican la construcción geométrica del mecanismo. La multiplicación de todas las matrices de transformación mostradas en (ec. 4) representa la ecuación del modelo del mecanismo. PT := P0P1P2P3P4P5P6P7 (5) PT es también una matriz homogénea 3D, por lo que las coordenadas del punto de medición TCP es la columna resultado de la matriz. (6) TCP = PT <3> COMPONENTES Y ESTRUCTURA DEL BRAZO DIGITALIZADOR Las articulaciones del brazo digitalizador son de dos tipos: 1) Articulación de codo: con un rango de trabajo de 300°. Figuras 3a y 4a. 2) Articulación radial: con un movimiento angular libre nπ. Figuras 3b y 4b. 47 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. El ensamble completo consta de tres articulaciones de codo y tres de tipo axial, unidas por cuatro cilindros rectos de 2 pulgadas y uno de 4 pulgadas. La figura 5 muestra las piezas maquinadas y el ensamble final. Como herramienta se acopló un palpador recto. LOS SENSORES DE ARTICULACIÓN Y SU SISTEMA DE SUPERVISIÓN El sistema 586-drive es un controlador programable en C/C++ basado en un procesador Elan AMD SC520 de 32 Bit a 133 MHz. Este sistema combina un procesador de alto desempeño de la generación 586 con un extenso grupo de características de entrada y salida industriales en una solo tarjeta. (a) (b) Fig. 3. Tipos de articulaciones de los que se compone el brazo digitalizador (a) articulación tipo codo, y (b) articulación axial. (a) (b) Fig. 4. Diagrama de ensamble del sensor con las articulaciones de la figura 4: (a) articulación tipo codo, y (b) articulación axial. Fig. 2. Dimensiones de construcción para el cálculo del vector L de la ecuación (2). Los valores están dados en milímetros. 48 La tarjeta QD8 permite controlar hasta ocho codificadores de cuadratura 63QDL-3-P de 4096 pulsos por revolución. La tarjeta QD8 se interconecta con una controlador (SC520) a través de un bus de datos de 8 bit de alta velocidad. Esto es especialmente importante, pues el reto de mantener todos los valores angulares sin pérdida de información requiere de electrónica de alta velocidad. La tarjeta controladora se muestra en la figura 6, mientras que el acoplamiento mecánico del sensor en la figura 4. El sistema 586 drive y la tarjeta Qd8 administran los pulsos de los seis codificadores angulares. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Es importante hacer notar que este sistema es un producto comercial que garantiza el manejo paralelo de interrupciones de ocho codificadores, pues la sincronización de los pulsos de cada sensor y la consolidación de la información de los ocho contadores para una posición es crítica. Los valores de los contadores de los codificadores se transfieren por el puerto serie RS232 cuando el usuario presiona el pedal de comunicación. Véase la figura 7. AMBIENTE CAD Y SU ESTRUCTURA DE PROGRAMACIÓN La tarjeta electrónica 586 drive, que controla los codificadores angulares de las articulaciones tiene conexión a una computadora por medio de un puerto RS232. El programa residente en la computadora que hace uso de los valores angulares es un algoritmo desarrollado para Rhinoceros, un ambiente de CAD programable, que permite la colocación de un punto por cada bloque de información que conforma la posición del brazo en el momento de la medición. La figura 8 muestra el diagrama a bloques del procesamiento de información. El bloque de transformaciones geométricas es el algoritmo de la implementación de la ecuación 5. La figura 9 muestra el algoritmo ejecutándose en el ambiente de CAD Rhinoceros. (a) (b) Fig. 5. (a) maquinado en taller de las piezas de las articulaciones de la figura 4 y (b) Ensamble del brazo digitalizador. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 49 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Fig. 6. Sistema 586 drive con la tarjeta QD8 para la administración de los codificadores angulares. Los valores numéricos de las desviaciones se presentan en las tablas I (porcentual) y II (pulgadas). La figura 10 muestra una fabricación aceptable en la zona en donde opera la articulación con desviaciones no mayores a 0.01. La desviación de maquinado máxima se presenta en la sujeción del componente, y no presentando excentricidad, es irrelevante para efectos prácticos. Los histogramas de las figuras 11 y 12 permiten concluir que el componente tiene una geometría fiel al diseño: el 65% de las mediciones CÁLCULO DEL ERROR DE MAQUINADO Para la calibración de forma fue necesario que el maquinado de las piezas tuviese una desviación de construcción mínima. Esto garantiza que el mecanismo tenga mínimo error con respecto al modelo matemático (ecuación 6). El análisis de desviación se hizo utilizando una máquina de Fig. 8. Diagrama a bloques del algoritmo del plugin para Rhinoceros. Fig. 7. Sistema de adquisición de puntos para Rhinoceros utilizando un plugin desarrollado exprofeso. coordenadas en cada pieza maquinada (figura 5a). A continuación se presentan los datos de medición del componente P2 y su comparativo con respecto al archivo de CAD. El número de puntos muestreados para este componente fue de 680329. El rango de los valores extremo del componente es: • Máx: +0.097 a -0.097 pulg. (2.4638 mm) • Mín: +0.007 a -0.007 pulg. (2.4638 mm) 50 Fig. 9. Plug-In para el programa CAD Rhinoceros recibiendo el estado numérico de los codificadores. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. tienen una desviación máxima de 0.007 (0.1778 mm), y éstas no ocurren en zonas de funcionalidad. Haciendo ajustes de mínimos cuadrados para el plano: RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para la evaluación se utilizó un bloque patrón de mármol de calibración certificada. Se muestrearon puntos a lo largo de la superficie y se evaluó la nube de puntos arrojada por el brazo digitalizador utilizando el bloque patrón como un plano ideal de referencia. 23, 24 Las coordenadas medidas con el brazo fueron ajustadas a un plano utilizando mínimos cuadrados (ecuaciones 7 y 8). (7) (8) Resolviendo X = MB * MA-1 Tabla I.- Porcentaje de desviaciones. >=Min (pulg.) <Max (pulg.) # Puntos % -0.097 -0.082 -0.082 957 0.141 -0.067 4378 0.644 -0.067 -0.052 6078 0.893 -0.052 -0.037 7725 1.135 -0.037 -0.022 18327 2.694 -0.022 -0.007 47460 6.976 -0.007 +0.007 445456 65.477 +0.007 +0.022 25009 3.676 +0.022 +0.037 29410 4.323 +0.037 +0.052 52843 7.767 +0.052 +0.067 6692 0.984 +0.067 +0.082 7562 1.112 +0.082 +0.097 28432 4.179 Fig. 10. Diagrama de colores de las desviaciones de maquinado con respecto a su diseño en CAD de un componente de articulación. Tabla II. Desviaciones estándar. Distribución (+/-) # Puntos % -6 * Std Dev 0 0.000 -5 * Std Dev 0 0.000 -4 * Std Dev 1324 0.195 -3 * Std Dev 9273 1.363 -2 * Std Dev 17279 2.540 -1 * Std Dev 300053 44.104 1 * Std Dev 236107 34.705 2 * Std Dev 75303 11.069 3 * Std Dev 9834 1.445 4 * Std Dev 31156 4.580 5 * Std Dev 0 0.000 6 * Std Dev 0 0.000 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Fig. 11. Histograma de porcentajes de las desviaciones estándar de la tabla I. 51 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Tabla III.- Valores (mm) de desviación al plano de ajuste. Fig. 12. Histograma de desviaciones estándar de la tabla II. Se encuentra el plano de ajuste para la nube de puntos y su desviación con respecto a este plano se muestra en la tabla III. Dichos valores son los valores de error del brazo digitalizador. En la figura 13a y 13b se muestran en amarillo los puntos medidos del experimento, en verde la interconexión de éstos como malla triangular, en azul el plano de ajuste resultado del ajuste a mínimos cuadrados y en rojo, escaladas visible, las desviaciones de cada punto a dicho plano. Hay videos del proceso de medición del cuadro experimental puede verse en las siguientes direcciones: http://www.youtube.com/watch?v=GxP-jEBFRbo http://www.youtube.com/watch?v=gXYUSzoPSHg El procedimiento es manual y consta de los pasos: 1. Activación del algoritmo de cálculo con el procedimiento estándar del programa de CAD Rhinoceros. 2. Encendido e inicialización de los valores de los codificadores, relacionando la posición del mecanismo con el valor angular de todas las articulaciones del mecanismo. 3. Posicionamiento manual del palpador en el punto en donde se desea hacer la medición. 4. Transferencia de los valores de los codificadores presionando el pedal. 5. En el ambiente Rhinoceros se registra el punto XYZ calculado. 6. Repetir los pasos 3,4 y 5 tantas veces como se desee. 52 Número de puntos 471 Distancia promedio 0.44196 Distancia mediana 0.40036 Desviación estándar 0.27343 Distancia de ajuste máx. admisible 1 Distancia de ajuste min. admisible 0 Con dicho procedimiento se tomaron medidas al bloque patrón encontrando dimensiones de 205.38 x 300.14mm. La diferencia de las mediciones es de 2.18mm y -4.66mm respectivamente, lo cual arroja un el error de 1.07% y -1.53% respectivamente. (figura 14). Para comprobar el efecto visual del grado de precisión del brazo digitalizador se imprimió en papel un dibujo hecho por computadora (con licencia de uso libre), para después ser reconstruido utilizando el brazo. El resultado se muestra en la figura 15. La figura 15a es una imagen vectorizada 2D; los cuadrantes de la figura 15b muestran la figura en el espacio tridimensional referido al sistema de coordenadas locales del brazo digitalizador, las cuales siempre son diferentes al sistema de coordenadas local del programa de dibujo de la computadora. Se encuentra que para este brazo el: • Valor de tolerancia (T).- Diferencia entre los valores mayor y menor considerados como válidos en el plano es T=3.648mm. • Valor de incertidumbre (I).- La dispersión de la distancia de los valores medidos con respecto al plano de mármol es I=0.27343mm. • Los porcentajes de error en las mediciones al patrón de calibración fueron de 1.07% y 1.53%. Una ventaja de este prototipo es que está en condiciones para que sea utilizado por personal no especializado para la captura de geometrías complejas, como es el caso de modelos a escala, geometrías de origen biológico, y componentes industriales con requisitos de baja precisión. La figura 15a es una imagen vectorizada 2D; los cuadrantes de la figura 15b muestran la figura en el espacio tridimensional referido al sistema de coordenadas locales del brazo digitalizador, Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. (a) (b) Fig. 13. Tanto en (a) como en (b) se muestran: puntos medidos, malla triangular, plano de ajuste y desviaciones al plano. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 53 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Fig. 14. Mediciones en CAD 3D Rhinoceros tomadas con el brazo digitalizador al bloque patrón de mármol. Las cotas muestran las dimensiones medidas. (a) (b) Fig. 15. Prueba de aplicación del brazo: (a) dibujo hecho por computadora [http://vector4free.com], y (b) reconstrucción CAD 3D Rhinoceros en R3 utilizando el brazo. 54 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. las cuales siempre son diferentes al sistema de coordenadas local del programa de dibujo de la computadora. TRABAJO REALIZADO Se diseñó y fabricó un brazo digitalizador integrando algoritmos de programación con componentes electrónicos asequibles y piezas maquinadas en taller. Se obtuvieron las coordenadas de la geometría para ser utilizadas por programas computacionales comerciales. Se demostró la factibilidad de la fabricación de un brazo digitalizador con aplicaciones de medición e ingeniería inversa. Se sometió el brazo a un cuadro experimental con un patrón plano que permitió hacer las primeras calibraciones. Los experimentos llevados a cabo con el dispositivo permiten inferir su viabilidad en aplicaciones dedicadas a la captura de objetos de geometría compleja, tal como pueden ser objetos artísticos, antropológicos y/o biológicos. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue realizado por miembros del cuerpo académico Sistemas Integrados de Manufactura como parte del proyecto de investigación 103.511-6844 UANL-CA-166 patrocinado por SEPPROMEP. Se utilizó el equipo de las instalaciones del Departamento de Mecatrónica de la FIMEUANL. Los autores agradecen al M.C. Ing. Leonel Montelongo por su desinteresada donación bibliográfica, de componentes y recursos para la construcción del sistema electrónico del brazo digitalizador; también a los estudiantes de la carrera de Ingeniero en Mecatrónica: Guillermo Loera González, Idalia Urbano Alemán, Jaime Aparicio Esquivel, José Alberto Rodríguez Chávez, Martha Angélica Villasana de la Garza. LISTA DE EQUIPO Y SOFTWARE UTILIZADOS • Sistema 586-drive: controlador programable en C/C++ basado en un procesador Elan AMD SC520 de 32 Bit a 133 MHz. • Tarjeta QD8 permite controlar ocho encoder de cuadratura. La tarjeta QD8 se interconecta al Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 • • • • • • • • sistema 586 a través de un bus de datos de alta velocidad. Rhinoceros v4 dotado del módulo RhinoVB.NET SDK. MathCAD R14 para cálculos. SolidWorks v2007. MicroSoft Visual Studio. .NET Framework 2.0. VB.NET Express 2010. Plano de mármol de calibración marca Mitutoyo “Graplate” grado 8, de 8x12 pulgadas (203.2x304.8mm), serie 548-0 con exactitud de 0.002 pulgadas. Impresora 3D de la compañía ZCorp, modelo Spectrum Z510 con capacidad de construcción de 2 capas por minuto y un volumen de trabajo de 254 x 356 x 203 mm, con resolución de 600 x 540 dpi. Máquina de coordenadas marca FARO modelo “Platinum Arm P0805” de 19,200 mediciones/ segundo, con una exactitud de 50μm (0.002 pulgadas) y repetibilidad ± 50μm, 2σ (± 0.002 pulgadas). Licencia de software para el tratamiento de puntos Geomagic Studio/Qualify v8. REFERENCIAS 1. L. Iuliano, P. Minetola and A. Salmi. Proposal of an innovative benchmark for comparison of the performance of contactless digitizers. IOP Publishing. Measurement Science and Technology, 21 105102 (13pp, 2010. 2. Yang Hu, Qingping Yang,Xizhi Sun. Design, Implementation, and Testing of Advanced Virtual Coordinate-Measuring Machines. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 61, NO. 5, May 2012. 3. Y. Wu, H. Wang, Z. Li. Quotient Kinematics Machines: Concept, Analysis, and Synthesis. Journal of Mechanisms and Robotics, ASME. vol. 3. May 2011. 4. Nicola D’Apuzzo. Overview of 3D surface digitization technologies in Europe. ThreeDimensional Image Capture and Applications VI,Proc. of SPIE-IS&T Electronic Imaging, SPIE Vol. 6056, San Jose California, USA, 2006. 5. S. Winkelbach, S. Molkenstruck and F.Wahl. Low-Cost Laser Range Scanner and Fast Surface 55 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Registration Approach. K. Franke et al. Editors. DAGM, LNCS 4174, pp. 718–728. Springer Berlin Heidelberg 2006. 6. J. Reznicek, K. Pavelka. New low-cost 3d scanning techniques for cultural heritage documentation. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B5. Beijing 2008. 7. Y. F. Li and Z. G. Liu. Method for determining the probing points for efficient measurement and reconstruction of freeform surfaces. Measurement Science and Technology. 14 p1280–1288. Institute Of Physics Publishing 2003. 8. S. J. Lee and D. Y. Chang. 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Optimización geométrica con criterio de crecimiento biológico para la reducción de la concentración de esfuerzos en placas con perforaciones transversales. XI Congreso Internacional Anual SOMIM, Sept. 2005. 13. E. López, F. Ramírez, I. Márquez, J. de la Garza, A. Castillo. Relación de la geometría de elementos mecánicos con el cambio de forma en la naturaleza como criterio de diseño. XVI 56 Congreso Internacional Anual SOMIM, Sept. 2010. ISBN 968-9173-01-4 14. E. López, F. Ramírez, I. Romero, J. de la Garza, J.L. Castillo. Diseño de un instrumento para la captura de geometrías 3D con aplicación en la manufactura de productos. Revista de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica. Vol. 2 No. 3, Año 5 (2006) p. 101-110 ISSN1665-7381. 15. E. López, I. Márquez, D. Franco, F. Ramírez. Elaboración de bustos por medio de digitalización 3D y prototipos rápidos. XIV Congreso Internacional Anual SOMIM p.836-846, sept. 2008. ISBN 968-9173-01-4. 16. E. López, F. Ramírez, A. Ávila. Digitalización 3D como herramienta en la manufactura de calzado deportivo. XV Congreso Internacional Anual SOMIM p.137-146, sept. 2009. ISBN 968-917301-4. 17. J. Guo, Y. Wang. Study on Calibration Technology of Portable Coordinate Measuring Machines. International Conference on Electronics and Optoelectronics. V4 170-173. IEEE 2011. 18. G. Gao, W. Wang, K. Lin, Z. Chen. Kinematic Calibration for Articulated Arm Coordinate Measuring Machines Base on Particle Swarm Optimization. Second International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation. IEEE 2009. 19 K. Shimojima, R. Furutani, K. Takamasn and K. Araki. The Estimation Method of Uncertainty of Articulated Coordinate Measuring Machine. IEEE ICIT’02. Bangkok, THAILAND 2002. 20. M. Vrhovec, M. Munih. Improvement of Coordinate Measuring Arm Accuracy. Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. San Diego, CA, USA, Oct 29-Nov 2, 2007. 21. G. Gao, W. Wang, K. Lin, Z. Chen. Structural Parameter Identification for Articulated Arm Coordinate Measuring Machines. International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation. p128-131. Computer Society IEEE 2009. 22. H.P. Jawale, H.T. Thorat. Investigation of Positional Error in Two Degree of Freedom Mechanism With Joint Clearance. Journal of Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Mechanisms and Robotics. Transactions of the ASME, vol. 4. February 2012. 23. Z. Li, Y. Wang. Research on 3D Reconstruction Procedure of Marked Points for Large Workpiece Measurement. 2009 Fifth International Conference on Information Assurance and Security. Computer Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Society IEEE 2009. 24. F. Mazzini, S. Dubowsky. Experimental Validation of the Tactile Exploration by a Manipulator With Joint Backlash. Journal of Mechanisms and Robotics, ASME. vol. 4. February 2012. 57 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino Bruno Cisneros DammA,B, Alberto Pérez UnzuetaB A B PROLEC GE International, S. de R.L. de C.V. Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME RESUMEN En el presente trabajo se demuestra que el tanque del transformador eléctrico monofásico tipo poste fabricado de acero al carbono metalizado y pintado cumple con los requisitos de vida útil esperada para zonas de alta corrosión atmosférica. Se realizaron pruebas de cámara salina en probetas y tanques prototipo. Con los resultados obtenidos, se pudo confirmar que existen combinaciones de metalización con cinc y pintura tipo poliéster, que cumplen con los requisitos de operación en zonas costeras. PALABRAS CLAVE Transformadores de distribución, corrosión, metalizado, recubrimiento. ABSTRACT In this work, samples of mild steel and containers for pole mounted singlephase distribution electrical transformers were treated by different metallizing processes and painted with polyester base paint. Tests were performed in a salt spray chamber. Results obtained showed that there are combinations of zinc plating and polyester type paint that meet the operational requirements in coastal areas. KEYWORDS Distribution transformers, corrosion, metallizing, coating. INTRODUCCIÓN La mayoría de metales y aleaciones que han sido obtenidos a partir de compuestos minerales, principalmente óxidos, el paso del tiempo a regresar a su estado químico inicial de menor energía, es decir a compuestos naturales, por medio de un proceso conocido como corrosión. En un entorno marino la corrosión tiene lugar mediante un proceso electroquímico que se da por la exposición de la superficie metálica al oxígeno del aire y es facilitada por la presencia de iones provenientes de las sales en el ambiente.1-3 Este proceso es en sí mismo un problema grave que reduce la vida útil de los componentes metálicos expuestos a los ambientes corrosivos, ya que el deterioro de la superficie no solo afecta la estética de la pieza, sino que puede llevarla a situaciones de adelgazamiento y perdida de resistencia mecánica hasta una falla catastrófica total, con las consecuencias en pérdidas económicas o incluso en poner en riesgo la vida de seres vivos o de impactos ambientales indeseables.3-4 58 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. Entre las medidas más utilizadas para combatir la corrosión y evitar el deterioro de las piezas está el uso de recubrimientos que impidan el contacto directo de la superficie metálica con el medio ambiente. El recubrimiento más ampliamente utilizado y de menor costo son las pinturas. Sin embargo son fáciles de desprender y su vida útil no es muy larga. Otras soluciones son el uso de metales o aleaciones de baja reactividad, pero normalmente es una solución de alto costo. Una solución ampliamente utilizada es el uso de recubrimientos metálicos de diferente naturaleza. El metal base es recubierto con otro metal o aleación de menor potencial electroquímico de tal forma que actué como protección catódica, tal como la láminas de acero galvanizado. Esta última solución no es práctica para el caso de contenedores o tanques de los transformadores eléctricos de distribución tipo poste. Sin embargo, abre la posibilidad de investigar los recubrimientos galvánicos vía metalización por rociado térmico y protección extra con una pintura tipo poliéster. Para la fabricación de los tanques de transformador tipo poste, el material comúnmente utilizado es acero al carbono tipo ASTM A36, 5 con un pre-tratamiento de fosfatado superficial y recubierto con pintura tipo poliéster en polvo. Un tanque de este tipo garantiza que el transformador estará libre de mantenimiento hasta por 5 años, de acuerdo a la norma NRF-0252012.6 Sin embargo, se ha comprobado que esta combinación de recubrimientos no es satisfactoria para las zonas costeras donde se tiene un ambiente de atmósfera marina con alto contenido de iones tipo cloruro. Una solución ha sido el empleo de aceros inoxidables tipo AISI 304 o 409 7 con el consecuente incremento en el costo de materia prima y de procesamiento. Entre los factores que afectan la rapidez de la corrosión, a parte de las condiciones del medio ambiente, se encuentran la preparación de la superficie, el fosfatado, la calidad y la adherencia de la pintura. Finalmente, el manejo del tanque es otro factor importante, ya que una vez recubierto y pintado, los golpes o rayaduras exponen el metal base y las zonas deformadas son más propensas a corroerse. En el presente trabajo se propone proteger los tanques de acero al carbono tipo ASTM A36 con diferentes recubrimientos por metalización y posterior aplicación de una capa de pintura de poliéster de dos diferentes espesores. El objetivo Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 a buscar es el duplicar, en tiempo, la resistencia en cámara salina de los actuales recubrimientos; y que represente una reducción en costo ante el empleo de aceros inoxidables. PREVENCIÓN DE LA CORROSIÓN El recubrimiento con metales mediante rociado térmico es una tecnología que fue desarrollada desde 1910, primeramente con cinc, y en los últimos veinte años ha tenido grandes avances con diversas aleaciones con lo que se ha extendido su uso a dispositivos biomédicos, electrónicos, automotrices, aeronáuticos y en enseres domésticos. La metalización por rociado térmico puede aplicarse a substratos metálicos y no metálicos y actualmente existe una amplia gama de materiales metálicos y cerámicos que pueden depositarse por rociado térmico ya sea por flama o por plasma. Previo a la aplicación de las capa de metalizado, las superficies deben estar limpias y es común darles un tratamiento de granallado para aumentar la rugosidad y la adherencia de los recubrimientos.8-10 Para la aplicación del metalizado se emplea una pistola para calentar el material de recubrimiento, el cual puede estar en forma de polvo o de alambre, hasta un estado fundido o semi-fundido, tal que pueda ser proyectado hacia la superficie a recubrir. Para lo anterior, se utilizan fuentes de energía tales como combustión de gases, arco eléctrico o arco-plasma. Las partículas de material de aporte son impulsadas por un gas de propulsión, acelerando a las mismas hasta impactar la superficie, ver figura 1. Así se forma una nueva superficie protectora. 11 Cuando las partículas fundidas impactan a la superficie se aplastan formando pequeños ovoides que se anclan en los Fig. 1. Metalizado de alambre por arco eléctrico. 59 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. valles de la rugosidad superficial y posteriormente entre ellas. Estas partículas de geometría ovoide se enfrían rápidamente y se solidifican formando una estructura de capas que van creciendo hasta alcanzar el espesor final deseado. RECUBRIMIENTOS En base a la revisión bibliográfica realizada, se estableció que los materiales con mayor potencial competitivo a ser utilizados para proteger estructuras de acero de equipo eléctrico, son los recubrimientos a base de cinc (Zn), aluminio (Al) y una aleación 85 cinc/15 aluminio (85Zn/15Al).12 Por lo anterior se procedió a realizar pruebas en cámara salina sobre muestras de acero y de tanques prototipo con este tipo de recubrimientos. Adicionalmente se realizó un estudio comparativo de los costos que representan cada uno de ellos, comparándolos contra el precio estándar de fabricación y contra el costo utilizando aceros inoxidables tipo AISI 304 y 409. Evaluación de recubrimientos Con el fin de analizar, cual es el mejor recubrimiento, se realizó la aplicación de estos 3 recubrimientos sobre 18 probetas, con una dimensión de 50.8 por 152.4 milímetros, con un barreno al centro de 3.175 mm con el fin de sujetarlas en la línea industrial de pintado. El recubrimiento se llevó a cabo utilizando el proceso de rociado térmico por combustión con alambre como metal de aporte, hasta obtener los espesores mostrados en la tabla I. Después de una inspección visual de las probetas para verificar que no existieran discontinuidades, las probetas fueron sometidas a un proceso de pintado Tabla I. Espesores de recubrimiento aplicados en probetas de prueba. Recubrimiento Id. Espesor del recubrimiento (μm) Espesor de la pintura (μm) Al A1 75 50 A2 125 25 B1 75 50 B2 125 25 C1 75 50 C2 125 25 Zn 85Zn/15Al 60 por atomización a dos diferentes espesores, tal como muestra la tabla I. Las probetas fueron sometidas a la prueba de cámara salina siguiendo los lineamientos de la norma ASTM B-117-11 13 y utilizando un tiempo de permanencia de hasta 4,032 horas, lo cual es el doble del tiempo indicado en la especificación CFENRF-025, 6 con el objetivo de tener una prueba de mayor duración. Con el fin de evaluar el avance de la corrosión, se realizó una inspección ocular de las muestras a 2,016 horas de duración. El aspecto general de todas las probetas se puede observar en la figura 2. La probeta A1 falló por completo, mostrando un daño considerable por corrosión a 2,016 horas de prueba en la cámara salina, tomando la decisión de no continuar hasta las 4,032 horas planeadas para todas las pruebas. Esta baja resistencia a la corrosión fue asociada a la alta porosidad presentada por el recubrimiento de Al, lo que permitió una penetración del electrolito hasta el substrato de acero acelerando el proceso de corrosión. La probeta A2 presentó signos de corrosión por ampollamiento no aceptables a 4,032 horas de prueba. Aunque las probetas A1 y A2 fueron metalizadas con el mismo material (Al), la probeta A2 presenta mayor resistencia a la corrosión. Lo anterior debido a que el espesor del recubrimiento fue mayor, a pesar de tener un espesor de pintura más delgado. Esto indica que la principal barrera de protección a la corrosión para estas probetas es el recubrimiento por metalizado. Las probetas B1 y B2 (Zn) presentaron una superficie libre de productos de corrosión ferrosa. Se puede observar en ambas probetas la existencia de manchas blancas debido a los depósitos de sal formados sobre las mismas, producto de la reacción con el cinc superficial. La probeta B2 muestra más manchas blancas que la B1. Esto es debido a que la B2 tiene un espesor de pintura más delgado. En este caso, la pintura si juega un papel importante en la protección a la corrosión. Las probetas C1 y C2 (85/15) presentaron inicios de ampollamiento a las 2,016 horas de exposición, convirtiéndose en ampollamiento no aceptable al final de la prueba, mostrando corrosión del substrato de acero. La muestra C2 presentó menor área parcial afectada por la formación de las ampollas Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. Aluminio A1 (380 horas) A2 (4,032 horas) cinc B1 (4,032 horas) B2 (4,032 horas) 85 cinc / 15 Aluminio C1 (4,032 horas) C2 (4,032 horas) Fig. 2. Aspecto de la superficie de las probetas después de prueba de Cámara Salina. de corrosión. Esto debido al mayor espesor del recubrimiento por metalizado. Las probetas B1 y B2 mostraron buenos resultados. Se puede observar en ambas probetas que presentan manchas blancas que se pueden deber a depósitos de sal. Se puede observar que la probeta B2 presenta más manchas y esto es debido a que presenta un espesor mayor de zinc por lo que la Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 reacción de este es mucho mayor que la que ocurre en la probeta B1. La probeta C1 presenta un ampollamiento considerable debido al espesor de pintura aplicado, lo que representa un mal resultado ya que es un punto por donde puede comenzar a corroerse el substrato. La probeta C2 muestra muy buenos resultados a las 2,016 horas, pero al finalizar la prueba a las 4,032 61 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. horas se puede observar que comienza a mostrar ampollamiento. Evaluación de los recubrimientos en tanques prototipo Con los resultados obtenidos de las pruebas en probetas, donde se demostró que el metalizado con aluminio no era adecuado para la protección contra la corrosión esperada en los transformadores, se decidió continuar las pruebas en tanques prototipo utilizando solo los recubrimientos de Zn y Zn/Al, según los datos de la tabla II. Tabla II. Datos de prueba de cámara salina en tanques prototipo. Recubrimiento Zn 85Zn/15Al Espesor recubrimiento 75 y 125 μm Espesor pintura 25 y 50 μm Tiempo de exposición 4,000 horas de corrosión. En cuanto al tanque recubierto con la aleación 85Zn/15Al, se puede observar en la figura 4 la formación de ampollas y severa corrosión en las zonas alrededor de los accesorios de acero inoxidable tipo AISI 304. El tipo de corrosión presentada es de tipo galvánica y es producida por la formación de una celda galvánica al tener dos metales o aleaciones disimilares en contacto. Cuando estos dos metales o están alejados entre sí en la serie galvánica, en presencia de un electrolito, el metal más activo (ánodo) se corroe con mayor facilidad, en este caso el acero al carbono. Tanto en las pruebas en cámara salina de las probetas y de los tanques prototipo, el mejor resultado se obtuvo con el metalizado de Zn y pintura de poliéster. 2,300 horas El tanque recubierto con Zn se muestra en la figura 3, en la que se puede apreciar que solo se presentó corrosión en los bordes del mismo, debido al efecto de adelgazamiento del recubrimiento metálico y de la aplicación de la pintura en dichas áreas. Sin embargo, todo el cuerpo externo del tanque está libre Fig. 4. Aspecto del tanque recubierto con Zn85/Al15 después de la prueba en cámara salina. Se aprecia extenso daño por corrosión. Fig 3. Aspecto de tanque recubierto con Zn después de prueba de Cámara Salina 62 Costo de aplicación de recubrimientos Una vez establecido que los mejores recubrimientos son, en orden jerárquico el de Zn, 85Zn/15Al y finalmente el de Al, se procederá a realizar una estimación de costos y su comparación contra el uso de aceros inoxidables tipo AISI 304 y 409. Los costos promedio de la aplicación de los recubrimientos por metalizado de alambre, por metro cuadrado, para espesores de entre 75 a 125 μm, se indican en la tabla III.14 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. Tabla III. Costo de aplicación de recubrimientos por unidad de área (USD/m2) Zn Al Zn/Al 38.72 12.70 50 Según los costos de fabricación actuales utilizando acero al carbono A36 fosfatado y pintado, contra el costo adicional de los diferentes recubrimientos por metalizado y pintado sobre el mismo acero base A36; y comparado con el costo de fabricación al utilizar aceros inoxidables, se pueden estimar los costos tomando como base 100 el costo del tanque original de acero A36. Esta estimación se presenta en la tabla IV. Los resultados obtenidos de las pruebas muestran que los sistemas de protección por rociado térmico utilizando aluminio no cumplen satisfactoriamente los requisitos para operar en ambientes costeros. A pesar de que son los más económicos y presentan una ventaja competitiva no se recomiendan para la protección de transformadores de distribución tipo poste. Los recubrimientos a base de la aleación 85Zn/15Al, presentaron resultados no satisfactorios en los tanques prototipo, mostrando corrosión galvánica severa en las zonas donde se instalan los accesorios del transformador. Debido a lo anterior, no se recomiendan para la protección de los tanques. El recubrimiento a base de cinc presentó buenos resultados tanto en las pruebas de cámara salina en probetas como en los tanques prototipo. Las zonas donde se presentó corrosión en los tanques, se debió al efecto borde y son áreas que quedan protegidas por el ensamble del transformador y no quedan expuestas al medio ambiente en los transformadores Tabla IV. Costos relativos de los diferentes recubrimientos y materiales (unidades arbitrarias). Material Costo relativo Incremento porcentual Acero A36 100 - Acero A36 + Rec de Al 136 36 Acero A36 + Rec de Zn/Al 206 106 Acero A36 + Rec de Al 237 137 Acero Inox. 409 350 250 Acero inox. 304 660 560 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 terminados, por lo cual se recomienda este tipo de recubrimiento por metalización para la protección de los transformadores. En cuanto a costos de materia prima y de producción, el menor incremento (36%) se da con el recubrimiento de Al, pero queda descartado por su bajo desempeño contra la corrosión. El recubrimiento a base de Zn/Al presenta incrementos de hasta 137%, pero por sus bajos resultados no se recomienda su aplicación. El recubrimiento a base de cinc es el que mejor resultados proporciona y representa un incremento de 106% en el costo de fabricación del tanque. Sin embargo, este incremento es mucho menor comparándolo con los incrementos en costo al sustituir el acero al carbono A36 por acero inoxidables tipo AISI 409 y 304, donde se tienen incrementos de hasta 250 y 560% respectivamente. CONCLUSIONES Por los resultados obtenidos en las pruebas en cámara salina y en estudio de costos se concluye que la mejor opción para la protección contra la corrosión atmosférica en ambientes marinos de los transformadores eléctricos monofásicos de distribución tipo poste es la utilización de un recubrimiento a base de cinc por metalización por spray sobre un substrato de acero al carbono A36. Se recomienda la instalación de una línea piloto de fabricación de tanques para transformador con metalizado de Zn y pintura de poliéster. Así mismo se recomienda el desarrollo de proveedores de los equipos y materias primas para el metalizado. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo de la empresa Prolec-GE Internacional para la realización del presente proyecto. REFERENCIAS 1. M. G. Fontana. Corrosion Engineering. 3rd Edition. McGraw-Hill International. USA, 1987. 2. E. Otero Huerta. Corrosión y Degradación de Materiales. Editorial Síntesis. España, 1997. 63 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. 3. J. Morales Marina. Curso teórico y práctico de introducción a la corrosión metálica. Gráficas Sabater, España, 2001. 4. D. Alcaraz Lorente. Manual Básico de Corrosión para ingenieros. Publicaciones de la . Universidad de Murcia, España, 2004. 5 ASTM International. Norma ASTM A36/A36M12 Satandar Specification for Carbon Structural Steel. ASTM Intnl. USA, 2012. 6. Comisión Federal de Electricidad (CFE). Espec. CFE-NRF-025. CFE-México, 2009. 7. ASM International. ASM Handbook Vol. 1. 10th Edition. USA, 1999. 8. ASM International. ASM Handbook Vol. 5. 10th Edition. USA, 1994. 9. J. Davis. Handbook of Thermal Spray Technology. ASM International. USA, 2004. 64 10. J. L. Marulanda, et.al. Protección contra la corrosión por medio del rociado térmico. Scientia et Technica, Año XIII, No 34 pp. 236-242, 2007. 11. C. Marín Villar. Thermal Spray Protección de Alto Impacto. Revista electrónica Metal Actual. Consultada el 18 Nov 2013. 12. R. A. Sauceda. Evaluación de recubrimientos aplicados por rociado térmico para el incremento de la resistencia a la corrosión de los tanques de transformadores tipo poste y pedestal. Reporte Interno PROLEC GE Internacional. México, 2011. 13. ASTM Intern. Norma ASTM B-117-11. Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus. ASTM Intnl. USA, 2011. 14. Sulzer Metco. Thermal Spray Wires. Documento electrónico consultado el 18 Nov 2013. http:// www.sulzer.com/en/Products-and-Services/. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Eventos y reconocimientos I. AUTODESK CERTIFICA A LA UANL El pasado 21 de febrero, el Centro de Infografía Avanzada (CIA) de la Facultad de Arquitectura de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL) logró la certificación internacional de Autodesk para ser considerado como un Centro de Entrenamiento Autorizado. Con este logro, la UANLes la primera institución de educación superior en México que ofrece a través del CIA, cursos impartidos por instructores certificados y exámenes de certificación sobre este software. Elizondo, Subdirector de Vinculación y Relaciones y la Ing. Teresa Galindo, Directora General de Monterrey Aerospace y Presidenta del Monterrey Aerocluster. También estuvieron presentes el M.C. José de Jesús Villalobos Luna, Coordinador Académico del CIIIA, la Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo, Coordinadora de Proyectos de Investigación y Servicios Tecnológicos del CIIIA, el Ing. Ismael García R., Gerente de Innovación y Tecnología de SISAMEX, el Ing. Alejandro Lara, Gerente de Ingeniería de MERITOR MEXICANA, el Ing. Sergio Gutiérrez, Presidente de la Federación Mexicana de Pilotos y Propietarios de Aeronaves, personal de la Fuerza Aérea Mexicana, de Viva aerobús, de AIRBUS. Como invitadas especiales y Conferencistas se contó con la presencia de la Dra. Rei Kawashima, Secretaria General del Consorcio de Universidades en Ingeniería del Espacio (UNISEC) y de la M. C. Blanca Rebollar Trejo, Directora de Formación de Capital Humano Especializado en el Campo Espacial de la Agencia Espacial Mexicana. El ingeniero Carlos Ramos, Gerente de Programas de Educación para Latinoamérica Autodesk, entregando la acreditación al Rector Jesús Ancer Rodríguez. II. ANIVERSARIO DEL CIIIA El pasado 18 de marzo se llevó a cabo la ceremonia del segundo aniversario del Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Esta ceremonia estuvo presidida por el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, acompañado por el Dr. Jaime Arturo Castillo Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 Autoridades presentes durante la ceremonia del segundo aniversario del CIIIA. 65 �Eventos y reconocimientos II. PROFESORA DE LA FIME EN EL UNISEC La Dra. Bárbara Bermúdez Reyes, profesora de la FIME en el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) como coordinadora de Diseño Aeronáutico. A partir de su participación en un programa sobre satélites pequeños, el Cansat Leader Trainig Program 4 (CLTP4), en la Universidad de Japón, ella fue nombrada punto de contacto de la sección México Norte del University Space Engineering Consorcium (UNISEC), la cual es una organización sin fines de lucro que promueve el desarrollo de recursos humanos y tecnología, a través del apoyo de actividades estudiantiles para diseñar, fabricar, lanzar y operar satélites y cohetes. Su visión considera que hacia finales del 2020 los estudiantes universitarios podrán participar en proyectos espaciales prácticos en más de 100 países. Dra. Bárbara Bermúdez Reyes III. ACREDITACIÓN INTERNACIONAL DE LA LICENCIATURA EN QUÍMICA INDUSTRIAL El pasado 20 de marzo, la Royal Society of Chemistry (RSC) otorgó la Acreditación Internacional, por su calidad y excelencia, a la Carrera de Licenciado en Química Industrial de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León. El documento de acreditación fue entregado por el Dr. David Barr, Manager of Accreditation and Qualifications of Royal Society of Chemistry, al Director de la Facultad de Ciencias Químicas, Dr. Eduardo Soto Regalado, en un evento encabezado por el M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL: Con esta acreditación, la UANL se convierte en la primera institución de educación superior en América Latina en ser distinguida por esta sociedad británica de científicos en química. 66 De izquierda a derecha: Dr. Eduardo Soto Regalado, Director de la FCQ; M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL; Dr. David Barr, Director de Acreditación de la RSC; y la Dra. Perla Elizondo Martínez de Cota, Jefa del Área Química Industrial de la FCQ. IV. TALLER SOBRE BIOAEROSOLES Y CONTAMINANTES Del 24 al 28 de marzo se llevó a cabo el Taller “Hospital Bioaerosols and Contaminants”, organizado por la UANL, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y del Centro de Investigación y Desarrollo en Ciencias de la Salud, y de la Universidad de Leeds, patrocinada por el Consejo Británico (British Council) en colaboración del CONACyT. Además de investigadores de las universidades participantes, también hubo expertos en aerobiología, ingeniería y ciencias de la salud de la Universidad Nacional Autónoma de México y de la Universidad de Loughborough. Además de sus presentaciones y discusiones sobre transmisión y el control de patógenos en el aire vinculado a edificios e infraestructura civil obre el tema, promovieron la transferencia de conocimientos y técnicas entre ambos países. Participantes del Taller “Hospital Bioaerosols and Contaminants” con autoridades de la FIME y del CIDICS. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL * Enero - Diciembre 2013 Marco Aurelio González Albarrán, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio del efecto de la aplicación de pretratamatientos térmicos de envejecido en la soldabilidad de una superaleación Inconel 939”, 14 de enero de 2013. Jurado: Dra. Dora Irma Martínez Delgado (asesora), Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dra. Ana María Guzmán Hernández, Dr. Alejandro Garza Gómez, Dr. Hugo Guajardo Martínez. Diana Berenice Hernández Uresti, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Síntesis y caracterización de nanopartículas de PbMoO4 para la degradación fotocatalítica de contaminantes orgánicos bajo irradiación UV”, 24 de enero de 2013. Jurado: Dr. Azael Martínez de la Cruz (asesor), Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, Dra. Sofía Vázquez Rodríguez, Dra Leticia Torres Guerra, Dra. Aracely Hernández Ramírez. Melvyn Álvarez Vera, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Diseño y desarrollo de una prótesis de alto desempeño funcional y tribológico”, 1 de febrero de 2013. Jurado: Dr Marco Antonio L. Hernández Rodríguez (asesor), Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Arturo Juárez Hernández, Dr. Demófilo Maldonado Cortés, Dr. Eduardo Rodríguez de Anda. Omar Jorge Ibarra Rojas, Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas, Tesis: “Models and algorithms for transit network planning”, 12 de febrero de 2013. Jurado: Dra. Yasmin Agueda Ríos Solís (asesora), Dra. Ada * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 Margarita Álvarez Socarras (asesora), Dr. Fernando López Irarragorri, Dra. Safia Kedad-Sidhoum, Dr. Pierre Fouilhoux. Víctor Hugo Brocado Guerrero, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Análisis de textura de aceros laminados”, 20 de febrero de 2013. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz (asesor), Dra. Martha Patricia Guerrero Mata, Dr. Nelson Garza Montes de Oca, Dr. Luis Adolfo Leduc Lezama, Dr. Julio Cesar Morales Chavela. Javier Alonso Ortega Sáenz, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio biotribológico de implantes de cadera metal-metal modificados superficialmente”, 14 de marzo de 2013. Dr. Marco Antonio L. Hernández Rodríguez (asesor), Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Rafael D. Mercado Solís, Dr. Demófilo Maldonado Cortés, Dr. Zygmunt Haduch Suski. Sugeheidy Yaneth Carranza Bernal, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Síntesis y caracterización de nuevos copolímeros semiconductores”, 15 de marzo de 2013. Jurado: Dr. Moisés Hinojosa Rivera (asesor), Dr. Virgilio Ángel González González, Dr. Hugo Armando Mosqueda Altamirano, Dra. María Idalia Gómez de la Fuente, Dra. Tatiana Romero Castañón. Eleazar Morales Guerra, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Modelo Matemático de ciclones industriales para optimización de la producción de cemento (Diseño de un ciclón para manejar alto contenido de partículas)”, 17 de abril de 2013. Jurado: Dr. Tushar Kanti Das Roy (asesor), Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dr. Simón Martínez Martínez, Dr. Sadasivan Shaji, Dr. Hugo Bolio Arceo. 67 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL Luis Arturo Reyes Osorio, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Modelado de la evolución microestructural durante forja en caliente”, 3 de mayo de 2013. Jurado: Dra. Maribel de la Garza Garza (asesora), Dra. Martha Patricia Guerrero Mata, Dra. Adriana Salas Zamarripa, Dr. Víctor Paramo López, Dr. Víctor Hiram Vázquez Lasso. Jesús Omar González González, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Desarrollo de un sistema tribológico con movimiento lineal reciprocante”, 10 de mayo de 2013. Jurado: Dr. Alberto Pérez Unzueta (asesor), Dr. Marco Antonio L. Hernández Rodríguez, Dra. Dora Irma Martínez Delgado, Dr. José Talamantes Silva. Diego Emilio Lozano de la Garza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Fatiga de un acero 5160 con temple interrumpido”, 27 de mayo de 2013. Jurado: Dr. Rafael David Mercado Solís (asesor), Dr. Rafael Colás Ortiz, Dr. Javier Rodrigo González López, Dr. Alberto Cantú Pérez, Dr. Bernardo Hernández Morales. Roberto Salinas Navarro, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Algoritmo para determinar la seguridad de voltaje de un sistema eléctrico de potencia basado en sistemas de área amplia”, 31 de mayo de 2013. Jurado:, Dr. Ernesto Vázquez Martínez (asesor) , Dr. Arturo Conde Enríquez, Dr. Jaime de la Ree López, Dr. Francisco S. Sellschopp Sánchez. Cristian Gómez Rodríguez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de propiedades de magnesia sinterizada adicionando nanopartículas de óxido de hierro (Fe2O3), óxido de aluminio (Al2O3) y óxido de silicio (SiO2) para uso en ollas de metalurgia secundaria”, 5 de junio de 2013. Jurado: Dr. Tushar Kanti Das Roy (asesor), Dr. Sadasivan Shaji, Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dra. Bindu Krishnan, Dr. Pedro L. Valdez Tamez. David Juvencio Ríos Soria, Doctor en Ingeniería con Acentuación en Computación y Mecatrónica, Tesis: “Natural Hand-Gesture Interaction (Interacción Natural con Gestos Manuales)”, 1 de julio de 2013. Jurado: Dra. Satu Elisa Schaeffer (asesora), Dra. Sara Elena Garza Villarreal, Dr. Fernando López Irarragorri, Dr. Gerardo Maximiliano Méndez, Dr. Héctor Hugo Avilés Arriaga. 68 Yahara García Alvarado, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Modelado y estimación de procesos de fermentación”, 3 de julio de 2013. Jurado: Dr. Marco Tulio Mata Jiménez (asesor), Dr. Efraín Alcorta García, Dr. José Antonio de la O Serna, Dra. María G. Aguilar Uscanga, Dr. Javier Gómez Rodríguez. Guadalupe Maribel Hernández Muñoz, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Diseño y simulación de una línea de formado en frío de lámina de acero”, 11 de julio de 2013. Jurado: Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo (asesora), Dr. Moisés Hinojosa Rivera, Dr. Octavio Covarrubias Alvarado, Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés, Dr. Rogelio Pérez Santiago. Laura Imelda García Ortiz, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio y obtención de un concreto refractario bajo cemento con alta resistencia térmica”, 18 de julio de 2013. Jurado: Dra. Ana María Guzmán Hernández (asesora), Dr. Edén Amaral Rodríguez Castellanos, Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dra. Anabel Álvarez Méndez, Dr. Enrique Mejía Ramírez. Jonás Velazco Álvarez, Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas, Tesis: “Estrategia evolutiva con caminatas de metrópolis para problemas de optimización global”, 31 de julio de 2013. Jurado: Dr. Arturo Barrones Santos (asesor), Dr. Oscar Leonel Chacón Mondragón, Dr. Javier Morales Castillo, Dr. Francisco Javier Almaguer Martínez, Dr. Héctor Flores Cantú. Alejandro Vladimir Lara Mendoza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Caracterización en caliente y en frío de las aleaciones Inconel 718, Inconel 617 y Nimonic C263”, 8 de agosto de 2013. Jurado: Dra. Maribel de la Garza Garza (asesora), Dra. Martha Patricia Guerrero Mata, Dr. Rafael Colás Ortiz, Dr. José María Cabrera Merrero, Dr. Víctor Páramo López. Fernando Salinas Salinas, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Estrategias para controlar la tensión y la corriente del convertidor multicelular”, 22 de agosto de 2013. Jurado: Dr. Miguel Francisco Escalante Gutiérrez (asesor), Dr. Jesús de León Morales, Dr. Marco Tulio Mata Jiménez, Dr. Hugo Rodríguez Cortés, Dr. Juan Manuel Ramírez Arredondo. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL Andrés Castro Beltrán, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Modificación del óxido de grafeno reducido en medio acuoso con polielectrolitos y surfactantes para la obtención de dispersiones estables y nanocompositos poliméricos”, 23 de agosto de 2013. Jurado: Dra. Selene Sepúlveda Guzmán (asesora), Dr. Azael Martínez de la Cruz, Dra. Sofía Vázquez Rodríguez, Dra. Oxana Kharissova, Dr. Wencel de la Cruz Hernández. Esaú Núñez Mendoza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Elaboración y caracterización de cintas base Ni-Ti con memoria de forma producidas por solidificación rápida (me-Hspinning) para su aplicación”, 27 de septiembre de 2013. Jurado: Dr. Enrique Manuel López Cuellar (asesor), Dr. Azael Martínez de la Cruz, Dra. Beatriz Cristina López Walle, Dr. Daniel Sánchez Martínez, Dr. Horacio Flores Zúñiga. José de Jesús Infante Rivera, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Bionanocompositos a base de carragenina-k y quitosano con nanopartículas”, 8 de octubre de 2013. Jurado: Dra. Selene Sepúlveda Guzmán (asesora), Dr. Carlos Guerrero Salazar, Dr. Domingo I. García Gutiérrez, Dra. Amelia Olivas Sarabia, Dr. Jorge Romero García. Isidro Guzmán Flores, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de la cinética de corrosión sobre aceros API X70 soldados por el proceso MMA y SMAW”, 11 de octubre de 2013. Jurado: Dra. Dora Irma Martínez Delgado (asesora), Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Octavio Covarrubias Alvarado, Dr. Jorge Leobardo Acevedo Dávila, Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés. Jorge Oswaldo González Garza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Desarrollo de estructuras fotovoltaicas tipo Cds/AgSb(SxSe1-x)2 por medio de técnicas de baja toxicidad y costo”, 7 de noviembre de 2013. Jurado: Dra. Bindu Krishnan (asesora), Dr. David Avellaneda Avellaneda, Dr. Manuel García Méndez, Dr. Eduardo Martínez Guerra, Dr. Sadasivan Shaji. Ismael Aguirre Rojo, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Uso de nanopartículas de carbono en la fabricación de corazones de arena para la fundición de aluminio”, 11 de noviembre de 2013. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz (asesor), Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Abraham Velasco Téllez, Dr. José Talamantes Silva, Dra. Tania Ernestina Lara Cisneros. Roberto Carlos Cabriales Gómez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Elaboración y caracterización optoelectrónica de películas delgadas de polímero semiconductor”, 21 de noviembre de 2013. Jurado: Dr. Virgilio Ángel González González (asesor), Dr. Moisés Hinojosa Rivera, Dra. Sugeheidy Carranza Bernal, Dra. Idalia Gómez de la Fuente, Dr. Juan Francisco Luna Martínez. Víctor Hugo López Cortéz , Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Efecto del calor de entrada en las propiedades mecánicas y metalúrgicas de soldaduras de aceros avanzados de alta resistencia de plasticidad inducida por transformación TRIP unida por el proceso GMAW para la industria automotriz”, 3 de diciembre de 2013. Jurado: Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo (asesora), Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés, Dra. Guadalupe Maribel Hernández Muñoz, Dr. Felipe de Jesús García Vázquez, Dr. Arturo Juárez Hernández. Reynaldo Esquivel González, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Obtención de oligómeros y polímeros electroluminiscentes vía reacciones de Claisen-Schmidt y Wittig”, 10 de diciembre de 2013. Jurado: Dr. Virgilio Ángel González González (asesor), Dr. Antonio Francisco García Loera, Dr. Marco Antonio Garza Navarro, Dra. Ivana Moggio, Dra. Perla Elizondo Martínez. Oscar Salvador Salas Peña, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Diseño de controladores no lineales para un helicóptero a escala”, 12 de diciembre de 2013. Jurado: Dr. Jesús de León Morales (asesor), Dr. Miguel Francisco Escalante Gutiérrez, Dra. Griselda Quiroz Compeán, Dr. Hugo Rodríguez Cortés, Dr. Alejandro Enrique Dzul López. Arturo Román Vázquez Velázquez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Mezclas mecanocrómicas de fenilenviniliden bisquinolinas con polímeros y el estudio de sus propiedades ópticas”, 17 de diciembre de 2013. Jurado: Dra. Sofía Vázquez Rodríguez (asesora), Dr. Virgilio Ángel González González, Dra. Selene Sepúlveda Guzmán, Dra. Rosa Ángeles Vázquez García, Dr. Carlos Alberto Gallardo Vega. 69 �Josué Amilcar Aguilar Martínez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Sintetización e incorporación de la fase Co2SnO4 en varistores cerámicos basados en SnO2”, 17 de diciembre, 70 Jurado: Dr. Sadasivan Shaji (asesor), Dr. David Avellaneda Avellaneda, Dr. Eduardo Martínez Guerra, Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dra. Ana María Guzmán Hernández. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Enero - Marzo 2014 Mónica Rivas Romero, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 10 de enero de 2014. Mayra Yadira Rodríguez Pérez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Método para evaluar inhibidores de corrosión en acero galvanizado y galvalume”, 10 de enero de 2014. Alejandro Benavides Treviño, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Modificación de las propiedades magnéticas de un material orgánico derivado de un polímero conjugado (TBT) vía radicales libres”, 13 de enero de 2014. Marcos Torres López, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la transformación de fase en acero premomet”, 13 de enero de 2014. Jorge Espinoza Uirbe, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “Impacto de la vinculación en la formación de estudiantes socialmente responsables”, 20 de enero de 2014. Adriana Lisseth Rivera Rivas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 29 de enero de 2014. Jesús Eduardo Estrada Domínguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 31 de enero de 2014. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 Luis Carlos Villalobos Mares, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 14 de febrero de 2014. Miguel Ángel Contreras Zúñiga, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 18 de febrero de 2014. Cesar Adolfo Zamora Montemayor, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de febrero de 2014. Héctor Manuel Zúñiga Silva, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 19 de febrero de 2014. Edith Martínez Fernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de febrero de 2014. Jesús Alberto Moctezuma Sandoval, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 28 de febrero de 2014. Carlos Eduardo Cázares Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 3 de marzo de 2014. Ramón Elyud Ramírez Mendoza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Efecto del zinc en las propiedades mecánicas de una aleación Al-Si tipo A319”, 3 de marzo de 2014. Armando Víctor Gutiérrez Canales, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con 71 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 5 de marzo de 2014. José Antonio Olivares Treviño, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Desarrollo de un proceso de manufactura rápida de piezas quirúrgicas”, 6 de marzo de 2014. Jessica Irasema de León Almaguer, Maestría en Ingeniería Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Corrosión inducida por flujo en un acero APIx65 en una solución acuosa NaCl 3% saturada de CO2”, 10 de marzo de 2014. Carlos Augusto Jiménez Zarate, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 10 de marzo de 2014. Enrique Mastretta López, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Factores de eficiencia críticos 72 para toma de decisión entre adquisición de flotilla propia y transporte subcontratado”, 10 de marzo de 2014. Edgar Orlando Díaz Méndez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 12 de marzo de 2014. Roberto Ezequiel Garibay Ramírez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 12 de marzo de 2014. Mayra Guadalupe Olivares Fernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 18 de marzo de 2014. Luis Alejandro Benavides Vázquez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, (Por materias), 19 de marzo de 2014. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Acuse de recibo IUCrJ CiENCiAUANL Esta revista bimestral de la International Union of Crystallography (IUCr) es parte de la conmemoración del Año Internacional de la Cristalografía (IYCr2014). Esta revista publica artículos sobre ciencia y tecnología en áreas en donde los resultados estructurales respaldan aspectos científicos. El número de enero de 2014 presenta el artículo “Do we see what we should see? Describing non-covalent interactions in protein structures including precision” en el que se menciona que el análisis mediante difracción de rayos X es una técnica que en realidad dice en dónde estuvieron los átomos, en lugar de en dónde están, como suele aceptarse y que puede dar origen a errores. El IUCrJ es una publicación (ISSN: 2052-2525) del tipo “open access” y la información sobre ella así como los artículos se pueden consultar en la dirección http://journals.iucr.org/m/ Ésta es la revista de divulgación científica y tecnológica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (ISSN: 2007-1175) que después de más de 15 años de publicarse trimestralmente, a partir de este año se publica bimestralmente como respuesta al incremento en la producción de investigación, innovación y desarrollo tecnológico de la UANL. Además de diversos índices, la revista CiENCiAUANL se encuentra en el Índice de Revistas Mexicanas de Divulgación Científica y Tecnológica, dentro del Catálogo de Revistas de Divulgación Científica de Calidad del CONACYT. En su calidad de revista de divulgación, su sitio http://cienciauanl.mx la complementa de manera que se alienta el interés de los lectores, aun los que no son especialistas, en temas científicos, tecnológicos, sociales y culturales. Juan Antonio Aguilar Garib Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 73 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias por el Instituto Tecnológico de Saltillo. Doctor en Ingeniería de Materiales de la UANL. Premio de Investigación UANL en 1991, 2001, 2003, y 2012. Premio TECNOS en el 2000. Actualmente es profesor del Programa Doctoral de Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL. SNI nivel I y miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Cabriales Gómez, Karina Araceli Ingeniero Químico egresada de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (2010). Actualmente es doctorante del Programa en Ingeniería de Materiales de la misma facultad. Tiene especialización en Sistemas Distribuidos en la Universidad Técnica de Hamburgo en Alemania. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. De la O Serna, José Antonio Recibió el grado de Doctor por parte de Telecom, Paris, Francia, en 1982. En 1987 se unió al programa de doctorado de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), donde fue miembro del comité doctoral. Actualmente, es profesor-investigador de la UANL. Fue profesor del Instituto Tecnológico de Monterrey de 1982 a 1986. De 1988 a 1993, trabajó en el departamento de Eléctrica de la Escuela Politecnica de Yaoundé. Cameroon. Es miembro Sistema Nacional de Investigadores. Cisneros Damm, Bruno Ingeniero Mecánico Administrador de la Universidad Regiomontana, egresado en el 2007. Ha trabajado como ingeniero de diseño en Rough Invernaderos en 2007 y a partir del 2008 como Ingeniero diseñador senior en Prolec GE Internacional. En el año 2014 expande sus actividades para apoyar las áreas de comercialización internacional de Prolec. Actualmente se encuentra cursando una Maestría en Ingeniería con Orientación en Ingeniería Eléctrica en la FIME de la UANL. Fungo, Fernando Lic. en Ciencias Químicas (1996), Dr. en Ciencias Química (2001), Títulos obtenidos en la Universidad Nacional de Rio Cuarto (UNRC), Rio Cuarto, Córdoba, Argentina. Estudios Post-Doctorales: Department of Chemistry and Biochemistry, College of Natural Science, The University of Texas at Austin. Austin, Texas, Estados Unidos de América. (2001-2003). Actualmente es Profesor Adjunto Dedicación Exclusiva Efectivo de la UNRC e Investigador Independiente del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). De la Garza Salinas, Fco. Javier Ingeniero en Control y Computación egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. En la misma institución realizó sus estudios de maestría en el área de Eléctrica con especialidad en Electrónica. García Gutiérrez, Diana Fabiola Ingeniero Mecánico Metalúrgico (2003), Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2012) de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, actualmente cursa el Doctorado en Ingeniería de Materiales 74 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Colaboradores en la misma institución. Trabajó como Ingeniero Asistente de Producción en la empresa FUNDEMEX y durante sus estudios de licenciatura realizó prácticas profesionales en Blackhawk de México y en Danfoss HC. García Gutiérrez, Domingo Ixcóatl Ingeniero Físico Industrial del ITESM campus Monterrey (2001). Maestría en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2004) y Doctorado en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2006), ambos por la Universidad de Texas en Austin. Posteriormente trabajó en el laboratorio de caracterización de procesos del consorcio de investigación y desarrollo de la industria de los semiconductores, SEMATECH, en Austin, Texas (2006-2010). Actualmente es profesor-investigador titular A de la FIME-UANL, miembro del SIN en su nivel 1, cuenta con el reconocimiento de perfil deseable por parte de PROMEP. Garza Patrón, Pedro Nicolás Estudiante de Ingeniería Mecatrónica en la FIME/ UANL. Actualmente hace su tesis de licenciatura con el tema “Diseño e implementación de la interfase de comunicación del prototipo de un digitalizador 3D”. Garza Rivera, Rogelio Guillermo Ingeniero Mecánico Electricista por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL (1974) y Maestro en Enseñanza de las Ciencias con especialidad en Física, Facultad de Filosofía y Letras, UANL (1999). En su experiencia cuenta con ser profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica desde 1974, Director de la misma facultad de 2002-2008, Director General del Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología, CIIDIT-UANL, de 2008 a 2009. Actualmente es el Secretario General de la UANL (desde 2009) y desde 2010 es Secretario de la Coordinación Regional (Zona 2) de la Academia de Ingeniería. González Ovalle, Denysse Estudiante de la carrera de Ingeniero en Materiales en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, actualmente colabora en un proyecto de Doctorado en el Centro de Innovación, Investigación Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología (CIIDIT) de la UANL. Hernández Casillas, Laura Patricia Licenciada en Química Industrial (2010) egresada de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL; obtuvo el grado de Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en materiales (2013) por parte de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Trabajó en la empresa EHS Labs. de México, consiguiendo la acreditación ante la EMA para análisis fisicoquímicos en agua. Actualmente se encuentra cursando el Doctorado en Ingeniería de Materiales en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL. López Guerrero, Francisco Eugenio Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero en Control y Computación de la UANL Obtuvo el grado de Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Sistemas en la misma Universidad, durante estos estudios participó en la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania en donde desarrolló su tesis de maestría. Doctor en Ingeniería de Materiales en la Universidad Autónoma de Nuevo León trabajando en conjunto con el Departamento de Materiales y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Profesor de tiempo completo de la División de Ingeniería Mecatrónica de la FIME. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. Pérez Unzueta, Alberto Javier Ingeniero Metalurgista por la Universidad Autónoma Metropolitana, egresado en 1982. Doctor en Ingeniería Mecánica por la Universidad de Leicester, Reino Unido, en 1993. Ha laborado como Investigador en diversas empresas, entre ellas, Rassini Rheem, Kennametal y Krupp-Stahl. Colaboró como profesor asistente en la UAM y como investigador invitado en la U. de Leicester. Desde 1994 es Profesor Investigador de Tiempo Completo en la FIME UANL. Es fundador del Museo del Acero-Horno3 en Monterrey, N.L. Ramírez Cruz, Francisco Ingeniero Mecánico Electricista, Maestro en Ciencias de la Mecatrónica en la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Dirigió el Departamento de Somatoprótesis de la Facultad 75 �de Medicina de la UANL. Doctor en Ingeniería de Materiales en la Universidad Autónoma de Nuevo León trabajando en conjunto con el Departamento de Materiales y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Profesor de tiempo completo de la División de Ingeniería Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. 76 Sánchez Gómez, Luis Fernando Recibió el grado de ingeniería, por parte de la Universidad Autónoma de Zacatecas (UAZ) y el grado de Maestro en Ciencias por la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), en los años 2010 y 2012, respectivamente. Actualmente realiza estudios de Doctorado en ingeniería eléctrica en el departamento de ingeniería eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL). Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 77 �78 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2014 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 17 Número Número de la revista 63 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2014, Año 17, No 63, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2014 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020826 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Corrosión digitalizador 3D Nanopartículas PbS Semiconductores Transformadores de distribución https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20785/Ingenierias_2014_Ano_17_No_62_Enero-Marzo.pdf 44a609affb8ec04d60f2ac4a328b7bab PDF Text Text �Contenido Enero-Marzo de 2014, Año XVII, No. 62 62 2 Directorio 3 Editorial Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI Gabriel F. Martínez Alonso 10 Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos de polipropileno y organoarcillas Edith M. Hernández Torres, Francisco J. Rodríguez-González, Virgilio A. González González, Sofía Vázquez Rodríguez 20 Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel Javier S. Acevedo Campos, Francisco J. Garza Méndez, Eduardo M. Sánchez Cervantes, José Aguirre Espinosa 29 Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cables eléctricos Edgar Adrián Franco Urquiza, Maria Lluïsa Maspoch Rulduà 39 Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos de orden reducido Eduardo Manuel Guardia Ramírez, Manuel Antonio Andrade Soto, Ernesto Vázquez Martínez 50 Evaluación de la nitrificación a través de perfiles operacionales en un reactor aerobio Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, Oscar Bravo Bolaños, José Manuel Ortega Aguirre, Antonio Hidalgo Millán 60 Eventos y reconocimientos 63 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 66 Acuse de recibo 67 Colaboradores 69 Información para colaboradores Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 1 �Ingenierías, Año XVII, N° 62, eneromarzo 2014. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de enero de 2014. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2014 revistaingenierias@uanl.mx DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA M.C. Esteban Báez Villarreal Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable y director de la revista Ingenierías Lic. Julio César Méndez Cavazos Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Tipografía y formación Dr. César Guerra Torres Indización M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Jesús E. Escamilla Isla Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Ing. Dagoberto Salas Zendejo Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Prof. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Samir Nagi Yousri Gerges, Brasil. UFSC, Florianopolis / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO M.C. Fernando Javier Elizondo Garza, FIME-UANL / Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Moisés Hinojosa Rivera, FIME-UANL / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FCQ-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Azael Martínez De la Cruz, FIME-UANL / Dr. Enrique López Cuellar, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH 2 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 �Editorial: Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI Gabriel F. Martínez Alonso FIME-UANL gabrilo2009@hotmail.com “Eso de las competencias no sirve” es una frase repetida entre algunos profesores de diversos niveles educativos haciendo referencia a la tendencia actual de implementar modelos educativos en base al concepto de “competencias” en el proceso formativo de los estudiantes, en sustitución de los modelos más dirigidos a los “contenidos”. En esta tendencia se concibe a la formación universitaria como el desarrollo de recursos personales (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que permiten comprender y dar respuesta a los problemas y situaciones de la vida. Cada individuo “moviliza” los recursos de que dispone para resolver situaciones y problemas “reales”. La comparación se hace con los modelos por contenidos, más dirigidos, aunque no sea intencionalmente, a la transmisión y adquisición de conocimientos difícilmente transferibles a contextos vitales y profesionales de un entorno que puede ser complejo y cambiante. El concepto de competencia se refiere a una nueva forma de definir los resultados de un proceso de aprendizaje. Esta conceptualización depende de varios factores, entre los cuales se encuentran: el enfoque que se dé al modelo de competencias, el tipo de competencia que se pretende formar en el estudiante y el nivel de educación al que se aplique. Además su implementación en educación superior implica múltiples aspectos como el perfil de egreso, la malla curricular y los programas analíticos, por mencionar sólo algunos. Por esta razones surge una gran diversidad de definiciones de competencias que le dan al concepto una dimensión más compleja. Esa complejidad hace difícil saber a qué se refieren aquellos que descalifican a los modelos basados en competencias, podrían referirse a los aspectos, a los factores, a las definiciones o en conjunto a la simple percepción de ellas. En cualquier caso, criticar sin identificar deficiencias ni medidas, aunque es fácil, no tiene contribución. La crítica es un juicio analítico que es esencial para conocer la verdad y un análisis que permita valorar a los modelos basados por competencias exige que se tenga una noción clara sobre la razón por las que surgen nuevas tendencias en los sistemas educativos, las necesidades actuales de la sociedad y la manera en que la formación actual de los ingenieros las satisfacen. Además de lo anterior, se debe tener presente que al margen de la operación de los modelos, las definiciones de competencia tienen en común la referencia a un conjunto de conocimientos, habilidades, destrezas y actitudes que llevan Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 3 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. a resolver situaciones que se presentan a lo largo de la vida, como se puede ejemplificar con el Reglamento General de Evaluaciones de la Universidad Autónoma de Nuevo León que define como “competencia” al desempeño del estudiante entendido como la expresión concreta del conjunto de conocimientos, habilidades, destrezas, actitudes y valores que pone en juego cuando lleva a cabo una actividad. ¿Cual es la razón por la que surge esta nueva tendencia en los sistemas educativos? La respuesta a esta pregunta no es simple. Es necesario analizar las características de la sociedad actual y el éxito que los egresados de la educación superior, y en particular los de las carreras de ingeniería, tienen al entrar al mundo laboral. Los sistemas educativos siempre están en el foco de atención de toda la sociedad y sobre ellos se ejerce una enorme presión para que respondan en forma efectiva a las necesidades planteadas a los graduados de estos sistemas. Las exigencias al sistema de educación superior en particular son fuertes, ya que son sus egresados los que pasarán a la vida profesional y deberán satisfacer las necesidades de una gran parte de la planta laboral, en comparación con los egresados de secundaria o primaria que no tienen esa exigencia porque pueden continuar sus estudios en otros niveles de educación. La formación de ingenieros ocupa un lugar predominante entre todo el sistema de educación superior, tanto por el número de egresados como por su influencia decisiva en el desarrollo de la sociedad. No es casual que, según datos de la UNESCO, los países industrializados desarrollados tienen entre veinte y cincuenta científicos e ingenieros por cada diez mil habitantes, mientras que los países en vías de desarrollo cuentan con alrededor de cinco, y algunos países poco desarrollados cuentan solamente con uno o menos, por igual cantidad de habitantes. La actividad primaria de los ingenieros es concebir, diseñar, poner en práctica y explotar soluciones innovadoras (productos, dispositivos, procesos y sistemas) para mejorar la calidad de vida, satisfacer necesidades sociales o resolver problemas de su área y mejorar la competitividad y el éxito de la sociedad. El foco de atención del mundo ha cambiado desde los últimos inventos tecnológicos tales como la electrificación, la telefonía, la computadora y el automóvil, a problemas sociales más complejos y desafiantes tales como la alimentación, la salud, la energía, el acceso al agua y el cuidado del medio ambiente. Las condiciones presentes en la sociedad moderna conllevan a que aparezcan nuevas exigencias hacia los ingenieros, incluyendo la capacidad de resolver problemas que son más complejos y que tienen mayor influencia social que los que se presentaban en épocas anteriores. Por ello la formación de los ingenieros debe ser planificada y ejecutada con el objetivo de satisfacer estas exigencias, de forma que garantice equipar al estudiante con las habilidades y capacidades necesarias para trabajar satisfactoriamente, como un ingeniero profesional del siglo actual. Con mayor interés que antes, se espera que, además de su preparación científica – tecnológica, los miembros de la profesión de la ingeniería posean los criterios más altos de honestidad e integridad. La ingeniería tiene un impacto directo y vital sobre la calidad de vida para la gente, y en consecuencia los servicios 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. proporcionados por los ingenieros requieren imparcialidad y equidad, y deben ser dedicados a la protección de la salud pública, de la seguridad y del bienestar para todos. La complejidad de los desafíos modernos que afrontan los ingenieros, requiere que además su educación incluya una base sólida en asuntos como la economía, las comunicaciones y habilidades de trabajo en equipo. ¿Satisface la actual formación de ingenieros, en el mundo, las exigencias que se presentan a los egresados de estas carreras? Estudios desarrollados en varios países confirman que la actual formación de ingenieros no satisface las exigencias que se les presentan a los egresados de estas carreras. Específicamente se ha resaltado la existencia de deficiencias formativas en cuanto a la resolución de problemas y la aplicación de la teoría a los problemas reales, además de dificultades en las habilidades matemáticas. Los estudiantes expresan que no siempre son capaces de transferir conocimientos y habilidades de cursos específicos, a contextos y problemas del “mundo real”. A su vez los graduados se sienten poco preparados para hacer frente a problemas donde el trabajo a menudo involucra equipos multidisciplinarios y en el cual factores técnicos y no técnicos deben ser tenidos en cuenta con el mismo peso para la toma de decisiones. Asimismo se detectan deficiencias formativas en aspectos más generales como el trabajo colaborativo en equipos, habilidades para comunicarse en forma efectiva, para adaptarse a situaciones cambiantes, para aprender a lo largo de la vida. Por su parte los empresarios señalan dificultades para encontrar egresados de ingeniería con las características deseadas y exigidas por la sociedad globalizada y sus nuevos procesos productivos. Según datos de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OECD) en México el 42% de los empleadores señalaron, en el 2010, dificultades para encontrar personas con las competencias y habilidades exigidas para los empleos. Ante este conjunto de evidencias, incluyendo las nuevas exigencias de la sociedad moderna, la formación basada en competencias aparece como una posibilidad de reformar los sistemas educativos y por tanto la razón para que aparezcan los currículos basados en competencias en estos sistemas es que estos han sido diseñados para responder precisamente a las exigencias, destacadas anteriormente, hacia los egresados y por tanto puede resolver las áreas de oportunidad detectadas en su formación. En muchos países europeos, bajo el empuje del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES), la enseñanza basada en competencias aparece como protagonista en la renovación del sistema educativo, por lo que se ha aplicado este tipo de currículos en diferentes niveles de educación. Australia, España, Inglaterra y más recientemente los Estados Unidos, son algunos ejemplos de aplicación de esta tendencia curricular en la ingeniería. En América Latina se han desarrollado proyectos de reforma curricular por competencias, en carreras de ingeniería, en países como Colombia, Nicaragua, Argentina, Brasil, México y Chile. Las competencias aportan un enfoque nuevo, que posibilita mejorar el aprendizaje y la calidad de los egresados de la educación superior. Si se quiere resumir los aportes que puede ofrecer los currículos basados en competencias a la formación de ingenieros, pudieran señalarse tres aspectos esenciales: 1. Plantea la enseñanza como un proceso dirigido a que el estudiante vea, estudie y participe, en la aplicación práctica de los conocimientos y habilidades Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 5 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. adquiridos, en un contexto particular, pero al mismo tiempo tomando en consideración aspectos económicos, sociales y ambientales, entre otros. 2. Centra el proceso de formación en el aprendizaje y no en la enseñanza, como se hacía tradicionalmente. No es tan importante qué se le enseña sino lo que aprendió y sobre todo lo que es capaz de hacer (desempeño), con lo que aprendió. 3. Desarrolla el proceso de enseñanza – aprendizaje a partir de actividades de aprendizaje, donde se presenten situaciones lo más cercanas a las de la práctica profesional, de manera que, para resolverlas, el estudiante, se vea obligado a mostrar un desempeño, movilizando sus recursos: conocimientos, habilidades, actitudes y valores. Aquí se reflejan aspectos como: dar a los estudiantes herramientas básicas y claves para su futuro desempeño profesional, dar un mayor sentido y utilidad social a la educación superior, preparar para la vida y para el mundo laboral, mejorar la empleabilidad de los graduados y lograr una formación más integral, que incluya no solo aspectos técnicos sino actitudes y valores como la honestidad, la responsabilidad, el trabajo colaborativo, la comunicación y otros, ya señalados como necesarios en la época actual. El currículo en base a competencias, tiene tres aspectos fundamentales: 1. El perfil de egreso, elaborado para cada plan de estudios que es donde se definen las competencias que tendrá el egresado y que deben estar acordes con las exigencias de la sociedad, en la cual desarrollarán su labor profesional los futuros ingenieros. 2. La malla curricular, que garantice que las competencias previstas en el perfil de egreso se desarrollan en una serie de unidades de aprendizaje. 3. El proceso de enseñanza – aprendizaje de cada unidad de aprendizaje, debe asegurar que las competencias de esa unidad se desarrollen adecuadamente, de acuerdo al nivel previsto en el perfil de egreso. Aquí es importante garantizar que todos los profesores, que imparten esa unidad, desarrollen el proceso de enseñanza – aprendizaje de forma similar para que se desarrollen las mismas competencias. Si alguno de estos aspectos falla, el modelo por competencias no tendrá éxito para mejorar la calidad del egresado. Para poner un ejemplo simplificado supongamos un producto concreto, un automóvil, que fue diseñado para cumplir con ciertas características: potencia, seguridad, velocidad, color, etc. Esto correspondería con el perfil de egreso y sus características. El automóvil se fabrica en una cadena de montaje, donde cada estación de trabajo es responsable de cierta parte del auto final. No hay estaciones de trabajo que no aporten nada al diseño ni hay repetición de estaciones. La cadena de montaje corresponde con la malla curricular, donde cada unidad de aprendizaje es el equivalente a una estación de trabajo, porque desarrolla ciertas competencias del perfil de egreso. Para que cada estación de trabajo cumpla con su función, en la línea de producción se realizan una serie de acciones que deben ser iguales para todos los operadores de esa estación y para todos los turnos de trabajo. Las acciones de 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. cada estación son el equivalente a las actividades de aprendizaje de cada unidad de aprendizaje, que deben ser conocidas y realizadas por todos los profesores de esa unidad, pues de lo contrario no se puede garantizar el desarrollo de las competencias previstas, para esa unidad de aprendizaje. Aquí es donde se ve el carácter de proyecto formativo del currículo basado en competencias. Todas las unidades de aprendizaje están dirigidas a formar un egresado con ciertas competencias, descritas en el perfil de egreso. No hay unidades de aprendizaje que no contribuyan a ese perfil ni hay unidades sobrantes. Cada una juega un papel importante en la formación del egresado, que tiene que cumplir, en su proceso de enseñanza aprendizaje. Cambiar un currículo presupone una serie de cambios importantes, pero el cambio más importante es sin duda el nuevo papel que tanto estudiantes como profesores pasan a jugar con este nuevo tipo de currículo. El profesor ya no es la fuente principal de información nueva, como ocurría en los currículos por contenidos, ya que esta información puede ser localizada en diversas fuentes. El papel del profesor es ahora el de creador de situaciones de aprendizaje en el aula y fuera de ella, concretamente de actividades de aprendizaje, que los estudiantes van a realizar, bajo la orientación del profesor, y que les permitirá el desarrollo de las competencias previstas en el programa de la unidad de aprendizaje. El estudiante desarrolla las competencias realizando las actividades de aprendizaje (aprender haciendo) y recibiendo la retroalimentación, por parte del profesor, del resultado de cada una, constituyendo así un mecanismo de formación y evaluación formativa o sea una evaluación dirigida a mejorar el proceso de desarrollo de las competencias. Las actividades de aprendizaje deben tener un enfoque más práctico, más aplicado, con ejemplos y situaciones, lo más cercanas a la vida profesional del ingeniero. Esto no significa que el profesor no explique sus temas en las clases, pero la esencia de los cursos son las actividades de aprendizaje, haciendo las cuales el estudiante, bajo la orientación del profesor, moviliza sus recursos y de esta forma, construye sus propios conocimientos y desarrolla las competencias. Desde que aparecieron las tendencias constructivistas de aprendizaje, en las cuales se señala que los individuos construyen sus propios conocimientos, algunos profesores se engancharon en ese concepto y plantearon que ya no hace falta explicar, pues los estudiantes debían construir sus conocimientos por sí mismos. Esto no es correcto, en ningún momento el profesor puede abandonar su función de facilitar la comprensión de los contenidos, mediante explicaciones, orientaciones, ejemplos de la práctica profesional y experiencias de aplicación. Para un buen aprendizaje es decisivo lograr una mayor motivación en los estudiantes, mostrando cómo se aplica el tema en su carrera profesional de ingeniero y cómo el contenido tratado se relaciona con su futuro campo de trabajo profesional. Es muy diferente que un profesor llegue al aula y diga “hoy vamos a estudiar la parábola”, a que llegue y pregunte ¿por qué llamamos antenas parabólicas a las usadas para recibir las señales de los satélites? o pida a sus estudiantes que realicen una investigación sobre los paraboloides utilizados en diferentes tipos de antenas. Realizando esta actividad el estudiante aprenderá qué es la parábola y sus características fundamentales, además de apreciar, al Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 7 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. mismo tiempo, su aplicación en un tema ingenieril. No se puede aplicar si no se comprende bien, por ello la aplicación práctica es esencial para llegar a un verdadero dominio del tema. Un profesor que tuviera dudas sobre la efectividad de su programa analítico o de cualquier otro programa deberá expresar su opinión y argumentos en las reuniones de academia, lo que ayudaría a lograr una mejora del proceso de enseñanza – aprendizaje. Si hay una actividad de aprendizaje que considera que no es adecuada para el desarrollo de la competencia de la unidad, se debe discutir en la academia o colectivo de profesores a fin de mejorarla o sustituirla por otra más efectiva. Es importantísimo el intercambio entre los profesores, las discusiones de las academias o colectivos, donde el trabajo metodológico debe ser el tema central, siempre con vistas a mejorar el proceso de enseñanza – aprendizaje. Las reuniones de academia deben ser el centro de este proceso, donde los profesores expresen sus dudas, sus resultados y puedan llegar a conclusiones con vistas a que la unidad de aprendizaje logre el desarrollo adecuado de las competencias en los estudiantes. En el currículo por contenidos cada profesor podía cerrar la puerta de su aula y enseñar lo que creía sin ser cuestionado. Sin embargo ésto también cambia en el modelo por competencias; aunque el profesor sigue siendo libre de llevar su proceso como quiera, no puede cambiar las competencias a formar, porque éstas están definidas en el perfil de egreso que no se puede cambiar. Por tanto la libertad de cátedra está limitada a que el profesor pueda cambiar una actividad por otra que le resulte más familiar o piense que es mejor para su grupo, pero sin cambiar qué competencia pretende desarrollar con esa actividad, pues ésta forma parte del perfil de egreso que no puede ser modificado por un profesor en particular. Obviamente para que este modelo sea exitoso no basta con formularlo, hay que aplicarlo conscientemente en la actividad diaria de todos los involucrados. Las resistencias son elementos propios de las dinámicas de cambio que están relacionadas con la manera cómo aprenden y cambian sus creencias los actores, los profesores principalmente. Es necesaria la comprensión del cambio en sí, pero lo más útil para realizarlo adecuadamente es analizar cómo puede llevar a mejorar los aprendizajes de los estudiantes. Este modelo no presume de ser perfecto, sino de que toma en cuenta el nivel de satisfacción de las necesidades actuales de la sociedad por parte de los egresados de las carreras en el mundo y plantea una manera de asegurar que éstos logren satisfacer tales necesidades. Los modelos están sujetos a revisión continua y su mejora depende en mucho de la crítica. “Eso de las competencias no sirve” no es una crítica, es solamente una frase que no señala qué es lo que no sirve, que no se dirige a los que diseñan el perfil de egreso, la malla curricular o los programas analíticos de las unidades de aprendizaje ni hace mención de la manera en que los profesores y estudiantes cumplen con su parte en el proceso enseñanza – aprendizaje. Por ello la frase resulta poco eficaz, pues no ayuda a identificar las posibles causas de las deficiencias que pudieran existir ni propone medidas para mejorar el proceso. Una crítica en cambio, proporciona información que ayuda a dilucidar qué aspecto del modelo está incompleto o no está cumpliendo con su papel. 8 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. Las competencias sí sirven para erradicar las áreas de oportunidad que se presentan en la formación de ingenieros, porque dan un carácter más práctico a la formación, la cual está diseñada en función de las exigencias de la sociedad actual, los resultados esperados del aprendizaje están formulados en forma más clara, con la descripción del desempeño que debe mostrar el estudiante al terminar un ciclo de estudios, y en qué condiciones se pondrá de manifiesto ese desempeño, porque además de proveer instrucción implica la educación del futuro ingeniero con valores y actitudes, acordes con los que la sociedad necesita, porque, como una brújula, orienta el trabajo de todos los profesores hacia una dirección establecida, el perfil de egreso, que le da al proceso de enseñanza – aprendizaje el carácter de proyecto formativo, donde los estudiantes y profesores tienen su papel, enmarcando la labor del profesor, con las competencias establecidas en el programa analítico, aprobado en la academia de su unidad de aprendizaje. El currículo basado en contenidos corresponde a las necesidades y tendencias del siglo XX. En el siglo XXI se deben aplicar tendencias de educación acordes con las exigencias de calidad y las necesidades de la sociedad actual, por lo que es necesario trabajar para que la formación de los egresados sea integral y responda a estándares y tendencias reconocidas internacionalmente. Si se quiere realmente que la preparación de los egresados de ingeniería mejore y responda a la dinámica de las exigencias, actuales y por venir, por ahora el camino más pertinente son los currículos basados en competencias. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 9 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos de polipropileno y organoarcillas Edith M. Hernández-TorresA,B, Francisco J. Rodríguez-GonzálezC, Virgilio A. González-GonzálezA,B, Sofía Vázquez-RodríguezA,B Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME CIIDIT-UANL C Centro de Investigación en Química Aplicada, Saltillo Coahuila.(CIQA) sofia.vazquezrd@uanl.edu.mx A B RESUMEN Se elaboraron dos tipos de materiales compuestos formados por una organoarcilla tipo montmorillonita (OMMT) y dos tipos de polipropileno, un polipropileno homopolímero (PP) y polipropileno injertado con anhídrido maleico (PPgAM). La preparación de los materiales compuestos se realizó mediante molienda criogénica para después elaborar película mediante moldeo por compresión. Los polvos y las películas fueron evaluados por FTIR, DSC, DRX and SEM para determinar los cambios químicos, térmicos y estructurales. Además, se evaluaron las propiedades mecánicas en tensión de las películas de los materiales. Debido al proceso de criomolienda, se reduce el tamaño de partícula de la OMMT, mientras que no se observó una modificación estructural de los polímeros. Las películas presentaron cierto grado de intercalación de la OMMT en el PPgAM. Por otra parte, la presencia de los fragmentos de la OMMT aumentó la cristalinidad del PP dando como resultado un importante aumento del módulo de Young. PALABRAS CLAVE Materiales nanocompuestos, organoarcillas, polipropileno, criomezclado. ABSTRACT Two different composite materials were prepared, using an organic modified montmorillonite (OMMT) and two types of polypropylene, homopolymer polypropylene (PP) and maleic anhydride-grafted polypropylene (PPgAM). Composites were cryomilled and their films were made by compression molding. Powders and films of composite were evaluated by FTIR, DSC, XRD and SEM to determinate the chemical, thermal and structural changes. Furthermore, the mechanical properties of films were evaluated by tensile tests. Particle size of OMMT was reduced during cryomilling while no structural changes were depicted by polymer. XRD spectra of PPg/OMMT composite films showed some intercalation of OMMT, and the presence of OMMT fragments increased PP crystallinity giving place to an important increment of the Young modulus. KEYWORDS Nanocomposite materials, organic-clay, polypropylene, cryomilled. 10 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. INTRODUCCIÓN Los materiales compuestos con cargas que poseen al menos una de sus dimensiones a escala nanométrica son una clase de materiales que han adquirido un gran interés en los últimos años debido a las notables mejoras en las propiedades a bajas concentraciones de nanocarga.1 Las cargas como las arcillas tipo montmorillonita (MMT) tienen grandes ventajas, ya que con una reducida cantidad de arcilla se puede obtener un aumento considerable en propiedades como módulo tensil, dureza, resistencia tensil, estabilidad dimensional, propiedades barrera a gases, conductividad eléctrica y retardancia a la flama, por mencionar algunas.2 Dada la naturaleza hidrofílica de la MMT, y la naturaleza hidrofóbica de muchos polímeros, es necesario hacer una modificación superficial a la arcilla mediante la adición de compuestos orgánicos como las sales alquil-amonio para hacerla más hidrofóbica y facilitar su exfoliación en polímeros, como el polipropileno (PP).3 A las arcillas modificadas con compuestos orgánicos se les denomina organoarcillas o arcilla modificada orgánicamente (OMMT). Aún con la modificación orgánica es posible que no tenga una suficiente compatibilidad con el PP, por lo que otra opción es utilizar un agente compatibilizante como el polipropileno injertado con anhídrido maleico (PPgAM).2 Los métodos convencionales de preparación de materiales poliméricos son la extrusión (estado fundido), solución y polimerización in-situ.3 Sin embargo, en ocasiones estas técnicas presentan ciertas desventajas al tratar de obtener nanocompósitos pues se tienen que utilizar modificaciones al proceso como la temperatura, tiempo, configuración de los equipos, entre otras. 4 Los cambios en los parámetros de procesamiento provocan en ocasiones degradación del polímero, aumento en la viscosidad, mala distribución de la carga, etc.5-7 Una alternativa para preparar materiales compuestos poliméricos es el mezclado de alta energía en estado sólido a una temperatura por debajo de la temperatura de transición rítrea (Tg) del polímero. Este método, llamado criomolienda, consiste en un proceso de molienda mecánica en un ambiente de nitrógeno líquido (-150 °C). A esa temperatura, el polímero es sólido, y pueden prepararse materiales compuestos Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 con buena dispersión y en algunos casos exfoliación de la carga dentro de la matriz polimérica, mejorando así algunas de sus propiedades.1,8-11 La dispersión de nanopartículas de SiO2 en poli (etilenetereftalato) (PET), utilizando la criomolienda, se obtiene en tres etapas: primero se forman láminas de polímero junto con la desaglomeración y reducción del tamaño de partícula del SiO2, posteriormente se dispersan las partículas en el polímero formando un compósito y finalmente se reduce el tamaño del compósito.1 La conductividad eléctrica del nanocompuesto de polianilina/Fe varía por el tamaño y grado de dispersión de las partículas de Fe al utilizar un molino de bolas con un ambiente criogénico.9 También se ha estudiado la eficiencia del procesamiento de molienda criogénica para la obtención de nanocompósitos poliméricos. Durante la preparación de nanocompósitos con óxido de polietileno (PEO) y polietileno (PE) utilizando como carga reforzante nanotubos de carbono de multi-pared altamente aglomerados se observó que los esfuerzos de corte ocasionados por las bolas del molino originan una deformación plástica en algunas zonas de la matriz polimérica. Esto al observar algunas estructuras fibrilares, así como un mayor espesor de los CNT. También se observó un aumento en el módulo de Young del nanocompósito PE/CNT, lo cual no se obtiene por otras técnicas de procesamiento.10,11 En el caso de las nanocargas laminares, se ha logrado exfoliar parcialmente el grafito en polipropileno, provocando una mejoría en la ductilidad, estabilidad térmica y conductividad eléctrica del nanocompósito con un contenido del 4% de grafito.12 Por lo que respecta a la incorporación de nanoarcillas en polímeros mediante técnicas de molienda, se requiere de un tiempo largo en el molino de bolas, y provoca cambios importantes en la cristalinidad del polímero.13 En este trabajo se estudió la influencia de la criomolienda en la morfología, propiedades fisicoquímicas, morfológicas, estructurales y mecánicas de materiales compuestos de polipropileno con una organoarcilla (OMMT). EXPERIMENTACIÓN Materiales Se utilizaron dos tipos de polímeros; un polipropileno homopolímero (PP) grado extrusión 11 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. marca Valtec HS013 de Indelpro México, y un polipropileno injertado con 1% en peso de anhídrido maleico (PPgAM) marca Polybond 3200 de Chemtura. La organoarcilla utilizada fue una montmorillonita Cloisite 20A (OMMT), modificada con una sal de amonio cuaternaria, obtenida de Southern Clay Products. Procedimiento Experimental La preparación de los compuestos en estado sólido a temperatura criogénica se realizó en un molino criogénico SPEX 6770 Freezer/Mill. Tanto el polímero como la OMMT se colocaron dentro de un vial de policarbonato con un impactador de acero. El vial se sumerge en la cámara del molino la cual está llena de nitrógeno líquido. El proceso de molienda criogénica consistió en un pre-enfriamiento de la muestra por 10 min, para continuar con 10 ciclos de 3 min de molienda con pausas de 2 min para enfriar nuevamente el material. El tiempo total de molienda fue de 30 min con una frecuencia de 15 Hz. Al finalizar el tiempo de molienda, el material fue retirado del vial en forma de polvo fino. Posteriormente, se prepararon películas mediante moldeo por compresión utilizando una prensa Carver, a 2.2 MPa durante 2 min. La temperatura de moldeo fue de 170°C para el PPg-AM y 190°C para el PP. La cantidad de material compuesto total fue de 1g, con un porcentaje de 2, 4 y 8% en peso de OMMT con respecto al polímero. En la tabla I se presenta la identificación de los diferentes materiales compuestos. Caracterización Los polvos obtenidos de la criomolienda y las películas preparadas mediante moldeo, fueron Tabla I. Compuestos de PP y PPgAM con OMMT realizados por criomolienda. Código Polímero % OMMT CPP-0 PP 0 CPP-2 PP 2 CPP-4 PP 4 CPP-8 PP 8 CPPgAM-0 PPgAM 0 CPPgAM-2 PPgAM 2 CPPgAM-4 PPgAM 4 CPPgAM-8 PPgAM 8 12 caracterizados mediante espectroscopia de infrarrojo (FT-IR) en un equipo Thermo Nicolet 6700, a una resolución de 4 cm-1 con 32 barridos por muestra. Las propiedades fisicoquímicas de los polvos y películas fueron obtenidas por calorimetría diferencial de barrido (DSC) en un equipo Diamond DSC de Perkin Elmer evaluando ciclos de calentamiento de 40°C a 200°C a una velocidad de 10°C/min, así como un ciclo de enfriamiento de 200°C a 40°C a la misma velocidad. Además se determinó el porcentaje relativo de cristalinidad de las muestras, mediante la relación de la entalpia de fusión y entalpía del polipropileno 100% cristalino (209 Jg-1).14 Las mediciones de difracción de rayos X de las películas se realizaron en un difractómetro Siemens con una radiación CuKα (λ=1.54Å). El rango de ángulos 2θ fue desde 2° hasta 12°. Las propiedades mecánicas de las películas de los compuestos PP/OMMT, cuyas dimensiones fueron 9cmx5cm con 1 mm de espesor, fueron evaluadas en una máquina de tensión modelo Shimadzu AGS-X, a una velocidad de deformación de 50 mm/min. La morfología del polímero fue evaluada en películas fracturadas en nitrógeno líquido, en un microscopio electrónico de barrido marca FEI Nova NanoSEM 200 de emisión de campo, operado a un voltaje de 5 kV. RESULTADOS Y DISCUSIÓ0N Cambios morfológicos y estructurales de la OMMT debido a la criomolienda El efecto de la criomolienda sobre la estructura de la OMMT molida a las mismas condiciones de preparación de los materiales compuestos (figura 1) se observó mediante SEM. La OMMT sin moler, presenta una morfología laminar con pliegues en las orillas (figura 1a y 1b), con un tamaño aproximado de partícula de entre 20 y 50 μm. Después de la criomolienda de 30 min (figura 1c y 1d), se observó una reducción del tamaño de las partículas perdiendo los pliegues de la OMMT. Este cambio morfológico es consecuencia de los altos impactos a los que fue sometida la OMMT durante el proceso de molienda. También se evaluaron los cambios en el arreglo cristalino de la OMMT mediante DRX (figura 2). El patrón de difracción de la OMMT antes de la criomolienda, presenta el pico de difracción a un Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. Fig. 1. Imágenes de SEM de la OMMT: a) y b) antes de criomoler, c) y d) después de criomoler. Fig. 2. Difractogramas de la OMMT a) antes y b) después del proceso de criomolienda. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 ángulo 2θ = 3.5°, asociado al espacio interlaminar del plano 001 de láminas de silicato modificadas,15 además de un pico a 7° que corresponde al espaciamiento interlaminar del plano 001 de la arcilla que contiene grupos sodio en la superficie.15,16 También hay una señal a 2θ=2.5 que podría estar relacionada con los pliegues de las orillas. Esa señal desaparece después de la criomolienda lo que corrobora las observaciones de SEM y hace que parezca que la señal a 3.5 se vea más ancha. Después de la criomolienda, el pico de 7° ha disminuido su intensidad considerablemente. Posiblemente durante la criomolienda se ocasionaron imperfecciones cristalinas a la partícula, lo cual también se asocia a la disminución del tamaño de partícula que sufrió durante el proceso.1,8 13 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. Efecto de la criomolienda en las características fisicoquímicas de los materiales compuestos de PP/OMMT En la figura 3 se muestran los espectros de infrarrojo de los polvos de los materiales compuestos con PP (CPP) obtenidos por criomolienda. En todos los espectros se observan las señales más características del PP: 17 2950 cm -1 y 2865cm -1 que corresponden a las bandas del estiramiento simétrico y asimétrico de metilenos y metilos (-CH2, -CH3), 1460 cm-1 y 1380 cm-1, deformación en el plano simétrica de metilos y metilenos, 1160 cm-1 estiramiento C-C, 990 y 972 cm-1 flexión C-H fuera del plano. Al incrementar la cantidad de OMMT dentro del PP, se observa la aparición de la banda característica de la OMMT a 1038 cm-1 del enlace Si-O, además de una banda de baja intensidad a 3620 cm-1 asociada al estiramiento O-H del agua interlaminar. Fig. 3. Espectros FTIR de los polvos de materiales compuestos de PP con 2, 4, 8% de OMMT criomolidos. En la figura 4 se muestran los espectros de los polvos criogénicos de los compuestos PPgAM. Al igual que en los espectros de los materiales CPP, se observan las bandas características de la OMMT dentro del polímero, la banda de 1038 cm-1 (Si-O) y la de 3620 cm-1 (O-H). También se observan las bandas características del grupo anhídrido maleico, a 1780 cm-1, asociada al estiramiento simétrico del carbonilo (C=O), también la banda a 1710 cm-1 que corresponde al estiramiento asimétrico del carbonilo (C=O) de la forma diácido del anhídrido maleico 14 Fig. 4. Espectros FTIR de compuestos de PP-g-AM con 2, 4, 8% de OMMT. cuando se encuentra hidratado.18 La intensidad de las bandas asociada al enlace Si-O aumenta conforme se incrementa la cantidad de OMMT en el compósito, sugiriendo una buena homogeneidad en la muestra. En la tabla II se presentan los valores de temperatura de fusión del primer barrido de calentamiento (Tm1) de los polvos obtenidos en el criomolino. Se utilizó el primer barrido de calentamiento para determinar cambios en la cristalinidad del polímero inducidos por la criomolienda.8 La temperatura de fusión, Tm1, de los diferentes compósitos de CPP, presentan valores similares al PP virgen y criomolido (~164°C), sin que haya una influencia considerable por la cantidad de OMMT en el polímero. Los compósitos de CPPgAM presentan una Tm1 de 161°C, similar a la del PPgAM virgen y criomolido. Estos valores indican que la incorporación de OMMT al polímero no promueve cambios considerables en la temperatura de fusión del material criomolido, lo cual también ha sido observado en compósitos de PP preparados mediante extrusión.19 Respecto a los valores de la entalpía de fusión, ∆Hm1, el valor del CPP-0 (93.7 J/g) no cambia considerablemente con respecto al PP virgen (95.0 J/g). Sin embargo, la entalpía ∆Hm1 de los compósitos tiende a disminuir a mayor concentración de OMMT, sugiriendo que la OMMT podría favorecer una disminución en la cristalinidad del PP. Mientras que para los compósitos con PPgAM, la entalpia ∆Hm1 del CPPgAM-0 (68.6 J/g) es semejante a la del polímero virgen (70.5 J/g). Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. Tabla II. Valores de DSC del pico de fusión (primer calentamiento, Tm1) y pico de cristalización (Tconset) de los materiales preparados por criomolienda. Contenido de arcilla (%) Propiedades Tm1 (°C) ∆Hm1 (J/g) Cristalinidad (%) Tconset (°C) Muestra 0 2 Material original 4 8 PP 164.7 CPP 164.80 164.34 164.14 165.35 CPPgAM 162.00 161.12 160.80 161.59 CPP 93.68 90.45 81.89 88.92 CPPgAM 68.63 83.36 82.89 78.17 CPP 45 43 39 43 CPPgAM 34 40 40 37 CPP 122.11 123.31 123.46 122.64 CPPgAM 121.23 121.27 121.33 120.88 Sin embargo, al incorporar la OMMT, los valores de ∆Hm1 aumentan y por tanto también la cristalinidad, lo cual se debe al efecto nucleante que presenta el anhídrido maleico en el PPgAM debido a la afinidad entre el grupo anhídrido maleico y la superficie de las láminas de la OMMT.16 A partir del ciclo de enfriamiento se obtuvieron los valores de la Tconset del pico exotérmico, donde el PP virgen presentó una temperatura de 120°C. Después del criomolido, la Tconset de los compósitos CPP fue muy semejante (122-123°C), tan solo 2°C por arriba de lo obtenido para el PP virgen. Mientras que para los compósitos con PPgAM, la Tconset del PPgAM virgen fue de 115.8°C, desplazándose hasta aproximadamente 121°C tanto para el CPPgAM como sus compósitos con OMMT. Aparentemente el proceso de criomolienda afecta la cristalización del PPgAM, ya que este aumento en la Tconset se debe a un efecto nucleante en el polímero, fenómeno que ha sido observado por otros autores.20 Las variaciones en la Tconset podrían estar asociadas a cambios en la distribución de pesos moleculares,20 así como a un efecto de la OMMT al intercalarse o exfoliarse dentro del PPgAM.21 Películas de los materiales compuestos criomolidos En la figura 5a, se muestra la superficie de fractura de la película del compuesto CPP-8, la cual presenta una superficie lisa con pequeñas rugosidades, asociado a un mecanismo de falla característico de una fractura frágil. En la figura 5b, se observa la misma película a mayores magnificaciones, y se Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 PPgAM 163.1 95.0 70.4 45 34 120.1 115.8 observa la formación de agregados de la OMMT en la superficie de fractura. Con respecto a la película del CPPgAM-8 (figura 5c y 5d), también se presenta una superficie lisa con una ligera deformación plástica. La formación de aglomerados de OMMT fue difícil de observar. Se ha reportado que el PPgAM presenta una buena interacción con los grupos funcionales de la OMMT,16 mejorando la compatibilidad de la OMMT con el polímero y reduciendo la formación de aglomerados. Los patrones DRX de las películas CPP y CPPgAM con 8% de OMMT se muestran en la figura 6. La película CPP-8 presenta un ángulo 2θ =3.5°, que corresponde al espacio interlaminar del plano 001 de las láminas de la OMMT, lo que sugiere que no hubo una intercalación/exfoliación de las láminas de la OMMT dentro del PP. En la película de CPPgAM-8 no se observó el pico a 3.5° lo cual sugiere que hubo un desplazamiento hacia un ángulo 2θ menor. Esto se debe a que la interacción de los grupos anhídrido maleico del PPgAM y los grupos funcionales de la OMMT aumentan el espacio interlaminar de las láminas de la arcilla.22 Esto concuerda con los resultados de otros autores en el que existe un grado de intercalación mayor en compuestos cuya matriz es PPgAM que con una de PP.23,24 Al parecer, las moléculas de PP no son capaces de intercalarse dentro de las galerías de la OMMT, mientras que se obtuvo un sistema intercalado/exfoliado en el PPgAM. Los cambios en las propiedades fisicoquímicas de las películas se presentan en la tabla III. En los compósitos CPP, no se observaron cambios considerables ni en la temperatura de fusión 15 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. Fig. 5. Morfología de la superficie de fractura de las películas a), b) CPP-8 y c), d) CPPgAM-8. Tabla III. Parámetros DSC de las películas CPP. Contenido de arcilla (%) Propiedades Fig. 6. Patrones de DRX de las películas de los compuestos a) CPP-8 y b) CPPgAM-8. 16 0 2 4 8 Tm (°C) 158 156 157 158 ∆Hm (J/g) 78.1 87.2 113.7 83.3 Cristalinidad (%) 37 42 54 40 Tconset (°C) 123 124 124 123 del segundo calentamiento (Tm) ni en la Tconset, sugiriendo que no hay un efecto nucleante importante de la OMMT en el polímero. El % de cristalinidad y la ∆Hm, aumentaron con el contenido de OMMT en el PP. Las variaciones en el grado de cristalinidad se pueden deber a los cambios morfológicos de algunas láminas de OMMT que se encuentran intercaladas o también a un ligero aumento en Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. el núcleo de esferulitas debido a las láminas de OMMT exfoliadas y/o intercaladas.25 Los patrones de difracción muestran que no hay intercalación del PP entre las galerías de OMMT. Sin embargo, las orillas fracturadas de la OMMT podrían actuar como nucleantes para el crecimiento de cristales. Respecto a las películas de los compósitos de CPPgAM (tabla IV), tampoco se observaron variaciones ni en la Tm, ni en la Tconset al comparar los valores obtenidos para CPPgAM-0. Mientras que los valores de la ∆Hm y del % de cristalinidad tienden a ser menores que los de la película CPPgAM0. Es posible que en este sistema las láminas de arcilla estén restringiendo el acceso de las cadenas poliméricas a los puntos cristalinos del polímero, reduciendo el grado de cristalinidad.22 Tabla IV. Parámetros DSC de las películas CPPgAM. Propiedades Contenido de arcilla (%) 0 2 4 8 Tm (°C) 156 156 156 158 ∆Hm (J/g) 104.6 90.2 79 93.5 Cristalinidad (%) 50 43 38 45 Tconset (°C) 121 122 123 121 En la figura 7 se muestran los resultados del módulo de Young de las películas CPP. Se observó un aumento en el módulo conforme se incrementa la cantidad de OMMT. Las películas CPP-8 aumentaron un 50% en dicha propiedad respecto al valor de la película de CPP. Este aumento en el módulo de Young está asociado a un aumento en la rigidez del material, lo cual sucede cuando se incorpora una carga inorgánica a un material polimérico.26 Sin embargo, también hay influencia en el módulo por el aumento en la cristalinidad de los compuestos con PP, como se obtuvo por DSC. CONCLUSIONES El proceso de la criomolienda provocó cambios morfológicos y estructurales en la OMMT debido a la fractura y reducción del tamaño de las partículas. La cristalinidad del polímero en los polvos de CPP/ OMMT no cambió por la criomolienda, mientras que en los polvos de CPPgAM/OMMT se favoreció un aumento en la cristalinidad. Por lo que respecta a las películas de los materiales compuestos, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 7. Módulo de Young de las películas de los compuestos CPP. las películas con PP muestran un aumento en la cristalinidad debido a que la OMMT favorece puntos nucleantes en el polímero, provocando un aumento en el módulo de Young. Mientras que en las películas con PPgAM, la cristalinidad disminuye debido al grado de intercalación de la OMMT en el polímero. Finalmente fue posible obtener un material compuesto mediante la criomolienda sin afectar considerablemente la cristalinidad del polímero. AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer el financiamiento recibido por parte de CONACyT al proyecto CB106176. También se agradecen las facilidades otorgadas por los laboratorios del CIIDIT-UANL para la preparación y caracterización de los materiales, así como al laboratorio de caracterización de la carrera de Ingeniero en Materiales por la evaluación de propiedades mecánicas. Se agradece a la M.C. Blanca M. Huerta Martínez por la evaluación de difracción de rayos X. BIBLIOGRAFÍA 1. Z.Q.L. Y. G. Zhu, D. Zhang, T. Tanimoto, PET/ SiO2 Nanocomposites Prepared by Cryomilling. J Polym Sci Part B: Polym Phys, 2006, 44, 11611167. 2. Y.-W.M.a.Z.-Z. Yu, Polymer Nanocomposites, Woodhead Publishing Limited, 2006. 17 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. 3. J.H. Koo, Polymer Nanocomposites. Processing, Characterization and Applications. McGraw Hill Nanoscience and Technology Series, 2006. 4. Bhattacharya, Sati N. y Gupta, Rahul K. y Kamal, Musa R. Polymeric Nanocomposites - Theory and Practice. 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Se preparó hidróxido de zirconio por el método sol-gel a partir de propóxido de zirconio e hidróxido de amonio, una vez obtenido el gel se secó y se sometió a calentamiento por microondas y un enfriamiento rápido. La zirconia se sulfató con una solución de ácido sulfúrico y se utilizó como catalizador en la producción de biodiesel observando su actividad catalítica y concluir que los porcentajes de conversión son comparables con la síntesis de catálisis básica homogénea. PALABRAS CLAVE Biodiesel, zirconia, microondas. ABSTRACT In this work zirconia nanoparticles were synthesized using microwaves an energy source, these were used as a solid catalyst support. Zirconium hydroxide was prepared by using sol-gel method from zirconium hydroxide and ammonium hydroxide, after obtaining the gel. It was dried and heated by microwave and finally quenched. Zirconia was sulfated with a sulfuric acid solution and used as catalyst in the biodiesel production observing its catalytic activity and finally compare that conversion rates are comparable with the synthesis of homogeneous catalysis. KEYWORDS Biodiesel, zirconia, microwaves. INTRODUCCIÓN El biodiesel es un combustible no derivado del petróleo basado en ésteres de alquilo derivados de cualquiera de las transesterificaciones de los triglicéridos o la esterificación de ácidos grasos libres con alcoholes de baja masa molecular.1 Las propiedades de flujo y la combustión de biodiesel son similares a las del diesel obtenido del petróleo y, por lo tanto, puede ser utilizado como su sustituto de éste.2 Como punto de comparación, el biodiesel puro (B100) libera aproximadamente un 90 % de la energía con respecto al diesel normal, y por lo tanto, su rendimiento esperado en el motor es casi el mismo en términos de torque y potencia. El biodiesel, sin embargo, se puede sintetizar a partir de 20 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. aceite reciclado comúnmente, es biodegradable y no tóxico, y tiene un punto de inflamación más alto que el diesel normal. Además, el biodiesel aumenta la lubricación (incluso en mezclas de sólo 3% o menos), lo que prolonga la vida del motor y reduce la frecuencia de sustitución de partes de éste. Otra ventaja significativa del biodiesel es su perfil de baja emisión y su contenido de oxígeno de 10-11%. El biodiesel se conoce como el biocombustible amigable con el medio ambiente, ya que proporciona un medio para reciclar el dióxido de carbono. En otras palabras, el biodiesel no contribuye al calentamiento global. Las normas ASTM para el biodiesel presentan características que son comparables con el combustible diesel tradicional.3 La tabla I resume los perfiles de emisión típicos de biodiesel y una de sus mezclas, B20, que consta de 20% de biodiesel y 80% diesel, utilizando las emisiones del diesel derivado del petróleo como referencia. La transesterificación requiere un catalizador con el fin de obtener rendimientos razonables de conversión. La naturaleza del catalizador es fundamental, ya que determina los límites de composición que el material de alimentación debe cumplir. Actualmente, la mayoría del biodiesel se prepara utilizando catalizadores alcalinos, tales como metóxidos e hidróxidos de sodio y potasio. Industrialmente, NaOH y KOH se prefieren debido a su amplia disponibilidad y bajo costo.4 No obstante, desde un punto de vista químico, las especies activas con ambos tipos de catalizadores son iones metóxido, éstos son nucleófilos fuertes y atacan el grupo carbonilo en las moléculas de glicéridos para producir ésteres de alquilo. En general el proceso Tabla I. Promedio de emisiones (%) de B100 y B20 comparadas con diesel normal. Emisión B100 B20 Monóxido de carbono -48 -12 Hidrocarburos sin conbustionar -67 -20 Partículas sólidas -47 -12 NOx +10 +2 Sulfatos -100 -20 Aires tóxicos -60 a -90 -12 a -20 Mutágenos -80 a -90 -20 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 tiene serias limitaciones que se traducen en altos costos de producción. Por otra parte, el alcohol y el catalizador deben cumplir con las rigurosas especificaciones también, deben ser anhidros, ya que la presencia de agua en el material de alimentación promueve la hidrólisis de los ésteres de alquilo de ácidos grasos libres, por lo anterior se requiere el uso de aceites vegetales altamente refinados cuyo precio puede ser del 60 al 75% del costo final del biodiesel.5 Aunque se considera que el biodiesel es amigable con el medio ambiente, se debe considerar que se utilizan campos para producir semillas específicamente para los aceites refinados, en vez de usar dichos campos para producir alimentos, es por ello que algunos investigadores buscan producir diesel a partir de reciclar aceites comestibles usados y grasa animal. Debido a su precio, el uso de materias primas de grasa de desecho se ha propuesto como una manera de reducir los costos de producción de biodiesel, algunas plantas en los Estados Unidos ya están produciendo biodiesel de grasa amarilla,6 pero también las grasas marrones de los filtros de los centros comerciales pueden ser utilizadas. Las materias primas de bajo costo deben experimentar alguna forma de tratamiento antes de que puedan ser utilizadas para la producción de biodiesel, la materia particulada se separa con filtros de celulosa, el agua se separa por gravedad y mediante destilación se desnaturaliza y degradan las proteínas residuales en la grasa, así como azúcares y alcoholes producidos durante el almacenamiento.7 La temperatura juega un papel importante en la síntesis del biodiesel catalizada por ácidos. A temperaturas más altas, la separación de fases disminuye y las constantes de velocidad aumentan, redundando en tiempos de reacción sustancialmente cortos. Normalmente, las concentraciones de catalizador en la mezcla de reacción varían entre 1 y 5% en peso.8 Las zeolitas de poro grande se han utilizado con cierto éxito en la esterificación de ácidos grasos en medio ácido; sin embargo, siempre ocurre que se originan subproductos no deseados debido a la alta temperatura de la reacción.9 Por otra parte, la zirconia se ha empleado como catalizador en un sinnúmero de reacciones químicas, 21 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. en este trabajo se propone el uso de zirconia como un soporte para catalizadores ácidos.10 En el 2006 Tyagi et al11 sintetizaron nanopartículas de zirconia que tienen fase cristalina predominante tetragonal usando el método sol-gel y técnicas convencionales de precipitación de hidróxido de zirconio obtenido por la hidrólisis de propóxido de zirconio y oxicloruro de zirconio como precursores. Se observó que el secado térmico de gel de hidróxido de zirconio en un horno (110 ° C, 12 h) dio resultados de tamaño de cristales inferiores (11-13 nm) en comparación con el secado a vacío (50 mbar, 70 ° C), que muestra mayor tamaño de los cristales (20 -21 nm) durante ambas técnicas, sol-gel y la síntesis de precipitación convencional. En 2010 Lee et al12 utilizaron el dióxido de carbono supercrítico (scCO2) líquido como disolvente verde que puede reducir considerablemente el uso de disolventes orgánicos. Los grupos de zirconia nanoporosa (ZrO2) se sintetizaron de una microemulsión [Zr4+] (aq) / scCO2 usando una solución de hidracina como agente de precipitación. En 2011 Kazemi et al13 sintetizaron nanopartículas de zirconia (ZrO2) utilizando sacarosa y fructosa como agentes quelantes del hidróxido de zirconio. En esta investigación se observó que los agentes quelantes de sacarosa y fructosa dan como resultado una fase tetragonal de la zirconia y un tamaño de partícula menor al que se obtiene con el método convencional utilizando así menores temperaturas. En 2012 Thitsartarn et al14 sintetizaron zirconia sulfatada soportada en SBA-15 utilizando un método post-síntesis y fue comparada con la zirconia sulfatada convencional en términos de actividad catalítica en la transesterificación de aceite de palma. Los catalizadores P-SZS podrían conservar la estructura mesoporosa ordenada hexagonal incluso con concentraciones de zirconia altos, y tenían mayor acidez que la zirconia sulfatada. Como resultado, estos catalizadores mostraron mayor actividad catalítica que el catalizador de zirconia sulfatada convencional para la transesterificación de aceite de palma con metanol. En el 2012 Tyagi et al15 evaluaron la actividad catalítica de la zirconia sulfatada nanocristalina, preparada por método sol-gel para la esterificación 22 de ácido caprílico con diferentes alcoholes. La concentración más baja de catalizador (0,5% en peso) exhibió 96-98% de conversión del ácido caprílico con metanol y 100% de selectividad para caprilato de metilo a 60 °C. La conversión se redujo al aumentar la masa molecular de los alcoholes (etanol, n-propanol y n-butanol a 60 °C), pero aumentó significativamente (91-98%) al aumentar la temperatura de reacción. Por otra parte, en 2009 Cao et al sintetizaron mediante microondas diversos materiales mesoporosos,16 principalmente óxido de silicio y alúmina. Este método tiene la ventaja de la nucleación homogénea. PARTE EXPERIMENTAL Síntesis de zirconia Para sintetizar la zirconia se colocaron 25 mL de propóxido de zirconio en un vaso de precipitado, posteriormente se añadió gota a gota una solución de hidróxido de amonio al 25% hasta obtener un pH entre 9 y 10. Una vez añadido el hidróxido de amonio se agitó durante una hora hasta obtener un gel de aspecto transparente e incoloro. El gel obtenido se secó en una estufa a 101 °C por 12 h. Una vez seco el gel se colocó 1 gramo en un crisol de porcelana, dicho crisol se ubica encima de un crisol de alúmina que contiene una cama de grafito molido y se introduce en el microondas, el grafito en polvo absorbe microondas y al calentarse por conducción calienta el hidróxido de zirconio, el cual, una vez alcanzada cierta temperatura absorbe microondas calentándose homogéneamente. Este proceso se llevó a cabo a diferentes intervalos de tiempo desde 30 hasta 90 segundos, inmediatamente se saca el crisol que contiene el producto y se enfría en un recipiente de aluminio que yace sobre nitrógeno líquido a presión atmosférica. Sulfatación de la zirconia Se coloca un gramo de zirconia en un vaso de precipitado y se añaden 15 mL de una solución de ácido sulfúrico de 0.5 M a 1.5 M y se agita constantemente durante 12 h. Finalmente se separa la zirconia mediante filtración y se seca en un horno a 110 °C durante 3 h. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. Producción de biodiesel Para llevar a cabo la síntesis del biodiesel se colocan en un matraz bola 50 mL de aceite vegetal reciclado, el cual es previamente filtrado y desnaturalizado, 100 mL de etanol y se le añade 1.0% en masa del catalizador. El sistema se deja reaccionar entre 60 y 80 °C durante 2 h, siempre en agitación constante y reflujo. Terminada la reacción se separa el catalizador mediante filtración y se seca a 110 °C durante 3 h. Por otra parte, las fases son separadas en un embudo de separación, dejándolas reposar 24 h. Difracción de rayos-X Mediante difracción de rayos-X en polvos se caracterizaron tanto la zirconia sintetizada por microondas así como la zirconia después de la sulfatación. Todas las difracciones se realizaron en las siguientes condiciones: 2θ entre 5º y 90º, con un paso de 0.05 º, y temperatura ambiente (~25 ºC). Área superficial El área superficial y el tamaño de partícula se calcularon empleando la técnica de BET mediante ciclos de adsorción-desorción de nitrógeno. Se utilizó un equipo Quantachrome Instruments modelo Autosorb-1. El microscopio electrónico de barrido (MEB) Para observar las partículas de zirconia se utilizó microscopía electrónica de barrido de alta resolución en la modalidad de electrones secundarios. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Área superficial y tamaño de poro La figura 1 presenta un análisis BJH (algoritmo Barret-Joyner-Halenda) del tamaño de poro y el análisis volumétrico, basado en la rama de desorción obtenido directamente del ordenador del equipo, se muestra una distribución muy cerrada del tamaño de poro. Tras el análisis, se calculó un diámetro de poro promedio de 30 nm y un área superficial promedio de 180.6 m2/g, de lo cual se concluye que la zirconia obtenida por microondas convencional es un material mesoporoso. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 1. Distribución del tamaño de poro para la zirconia vía microondas, curva obtenida por análisis BJH. La figura 2 muestra la comparación de la distribución del tamaño de poro de la zirconia sulfatada y sin sulfatar, se puede observar que hay un ligero crecimiento en el tamaño de poro pero se sigue manteniendo en el rango de un material mesoporoso, sin embargo al tener un mayor tamaño de poro reduce su área superficial lo cual es comprobado con el análisis BET obteniendo un área superficial de 132.2 m2/g. Al observar cómo se reduce el área superficial debido a la sulfatación se realizaron sulfataciones con distinta concentración para observar el efecto que tiene en el área superficial, los resultados se muestran a continuación en la tabla II. Como se puede observar ocurre una disminución en el área superficial de la zirconia al tener mayor acidez, este es un factor importante ya que el área superficial desempeña un papel importante en los Fig. 2. Distribución del tamaño de poro para la zirconia vía microondas sulfatada, curva obtenida por análisis BJH. 23 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. Tabla II. Área superficial a diferentes concentraciones de acidez. Acidez (% w/w) Área superficial (m2/g) 1.6 132.2 2.1 118.4 2.7 103.8 catalizadores pero esta disminución de área es nivelado al tener mayor acidez, ya que la acidez cataliza la reacción para obtener biodiesel, esto se confirma en los resultados en la síntesis de biodiesel. Difracción de rayos-X A continuación se mostrarán los resultados obtenidos en la difracción de rayos-X, para poder identificar los picos se utilizó como base la figura 3 la cual presenta los patrones característicos de cada estructura que puede presentar la zirconia32 De la figura 4 a la figura 6 se muestran los difractogramas de la zirconia sintetizada vía microondas. Se registraron mezcla de fases, siendo la fase predominante la tetragonal, esto se traduce en un gran logro tomando en cuenta dos aspectos importantes en la síntesis: (i) la atmósfera empleada fue aire y (ii) se controló sólo la potencia 1500 W y la frecuencia de 2.45 GHz. Fig. 4. Difracción de rayos-X en polvo de la zirconia a 30 s de calentamiento en microondas. Fig. 5. Difracción de rayos-X en polvo de la zirconia a 60 s de calentamiento en microondas. Fig. 3. Patrones de difracción de rayos X típicos de la zirconia. (A) 100% zirconia monoclínica, (B) 100% zirconia tetragonal y (C) 100% zirconia cúbica. 24 Fig. 6. Difracción de rayos-X en polvo de la zirconia a 90 s de calentamiento en microondas. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. En la figura 4 se puede observar que se obtiene zirconia en fase tetragonal por los picos característicos en los ángulos de difracción aproximadamente en 30°, 35° y 60°, conforme se va incrementando el tiempo de reacción se puede observar una aparición de un pico a un ángulo de difracción ~28° (figura 5), este pico es característico de una fase monoclínica y se ve cómo incrementa al avanzar aún más el tiempo de reacción (figura 6) pero al mismo tiempo se observa cómo ocurre un desdoblamiento de los picos que se encuentran a ~35° y a ~60°, esto indica la formación de una fase tetragonal más definida, sin embargo se comienza a formar una fase monoclínica en el sistema la cual puede ser una de las causas de la morfología final de la zirconia y puede afectar en sus propiedades catalíticas en la producción de biodiesel. En la figura 7 se muestran los difractogramas de la zirconia sintetizada vía microondas sulfatada por el método de impregnación, en los difractogramas se puede observar que después de la sulfatación no ocurrió ningún cambio en la estructura de la zirconia, sin embargo esto no confirma que no haya sucedido un cambio en la morfología ya que la sulfatación es un proceso que se da en la superficie de la zirconia y es probable que haya un crecimiento en el tamaño de partícula. Sabemos que con el tiempo la temperatura que alcanza el sistema va aumentando, si se mantiene en un lapso de tiempo determinado la temperatura se incrementará constantemente, pero al fijar un tiempo total de calentamiento y cumplirlo mediante lapsos de calentamiento de tiempo menor se obtiene una estructura tetragonal (figura 8), ya que no alcanza la temperatura suficiente para sufrir un cambio de fase pero sí la necesaria para obtener una fase definida, en este caso la tetragonal que es la que se obtiene a menores temperaturas a comparación de la monoclínica. Fig. 7. Difractogramas de la zirconia sintetizada vía microondas sulfatada. Fig. 9. Zirconia sintetizada vía microondas en un lapso de 30 a 60 s sulfatada, 250X a 3.0kV. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 8. Difractograma de la zirconia sintetizada vía microondas en 120 s utilizando lapsos de 30 s de calentamiento. Microscopía electrónica de barrido La figura 9 es una muestra de síntesis de la zirconia vía microondas en un lapso de tiempo de 30 a 60 s, la cual está sulfatada. Se empleó el software Gatan MicroGraph para hacer análisis de imágenes, se midió el tamaño de las partículas más grandes, las cuales tienen un tamaño promedio de 24.45 μm y una desviación estándar de 4.43 μm. 25 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. Al aumentar la magnificación a 5000X, se observa que dichas partículas constan de aglomeraciones de cúmulos de partículas de morfología esférica. La figura 10 muestra uno de esos cúmulos de pequeñas partículas de morfología esférica. Se observa una distribución bimodal de tamaño de partícula. Para la distribución mayor el tamaño promedio es de 320.27 nm con una desviación estándar de 36.05 nm. Para las partículas pequeñas el tamaño promedio es de 52.30 nm y una desviación estándar de 5.31 nm. CARACTERIZACIÓN DEL BIODIESEL Cromatografía de gases En la figura 12 se muestra el cromatograma de aceite del cual se partió para la síntesis de biodiesel, se observa que se mantiene la línea base y no produce señal. Fig. 12. Cromatograma del aceite utilizado en la síntesis de biodiesel. Fig. 10. Zirconia sintetizada vía microondas en un lapso de 30 a 60 s sulfatada, 5000X a 3.0kV. La figura 11 muestra otro de estos cúmulos de nanopartículas esféricas, este mismo cúmulo se observa a 100000X, estas partículas no están sulfatadas, y tienen un tamaño promedio de 64.28 nm y una desviación estándar de 1.93 nm. Se observa que estos cúmulos constan de nanopartículas esféricas. En la figura 13 se muestra un cromatograma del biodiesel sintetizado utilizando un catalizador básico (NaOH), este biodiesel fue utilizado como estándar para encontrar los tiempos de retención del biodiesel y observar los picos característicos. El primer pico que aparece en el cromatograma es del etanol utilizado en la reacción. Los picos que aparecen a partir del minuto 17 hasta el 22 conforman los ésteres sintetizados en la reacción, podemos saber que son los ésteres ya que se inyectó una muestra de aceite y la línea base no muestra señal alguna en el período de análisis, podemos decir que el biodiesel en las condiciones mencionadas anteriormente presenta 4 picos característicos. Fig.13. Cromatograma del biodiesel sintetizado con catalizador básico. Fig. 11. Zirconia sintetizada vía microondas en un lapso de 30 a 60 s, 100000X a 3.0kV. 26 A lo largo de la reacción del biodiesel se tomaron muestras a distintos lapsos de tiempo (40, 80 y 120 minutos) y se analizaron para observar cómo progresaba la reacción, en la figura 14 se muestran los cromatogramas y se puede apreciar claramente como los picos característicos del biodiesel aumentan su intensidad al pasar el tiempo demostrando así que si se logra la transesterificación del aceite utilizando Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. la zirconia sulfatada como catalizador. Además de observar que la conversión aumenta con el tiempo se analizó el porcentaje de humedad y la densidad del biodiesel después de haberle dado un tratamiento de secado y se obtuvo una humedad de 0.08% y una densidad de 0.884 g/cm3 las cuales son ligeramente mayores comparadas con el biodiesel sintetizado de manera convencional que tiene una humedad de 0.06% y una densidad de 0.873 g/cm3, según la norma americana ASTM el biodiesel debe estar en un rango de humedad máximo al 0.05% y una densidad de 0.860 a 0.900 g/cm3, esta norma establece las especificaciones en las cuales el biodiesel puede ser utilizado como combustible. Fig. 14. Cromatogramas del seguimiento de la síntesis de biodiesel utilizando la zirconia sulfatada como catalizador. En la tabla III, se muestran los rendimientos obtenidos de la síntesis de biodiesel durante 2 horas utilizando como catalizador la zirconia y la zirconia sulfatada con diferentes concentraciones de ácido. Se observa que la zirconia sin sulfatar tiene un rendimiento bajo, mientras que la zirconia sulfatada a pesar de la disminución de área superficial cataliza la reacción por la acidez que contiene, dando rendimientos superiores al 80% en las mismas condiciones de reacción de la catálisis básica. Tabla III. Rendimientos de la síntesis de biodiesel. Rendimiento (%) Zirconia 32.3 Zirconia/SO4 (0.5 M) 88.6 Zirconia/SO4 (1.0 M) 84.8 Zirconia/SO4 (1.5 M) 85.2 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo financiero del programa PAICyT IT-152 09. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Kinast, J. A.; Tyson, K. S., Production of biodiesel from multiple feedstocks and properties of biodiesel and biodiesel/diesel blends. Final report; NREL: Golden, CO, (2003). 2. Ma, F. R.; Hanna, M. A., Biodiesel production: a review, Bioresour, Technol, 70, (1999), 1-15. 3. Haas, M. 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El residuo contenía 60% de PVC, 30% de polietileno, 7% de goma y 3% de fracción metálica. La fracción metálica se separó de forma manual. La recuperación de PVC se realizó mediante el método de flotación. Se prepararon 6 mezclas de PVC con residuo (R). El PVC y las mezclas se ensayaron a tracción, obteniendo una reducción de la resistencia y la ductilidad al incrementar el contenido de residuo. Esta reducción en las propiedades mecánicas se adjudicó a la heterogeneidad de los componentes de la mezcla. Palabras clave Cloruro de polivinilo, propiedades mecánicas, reciclado mecánico de PVC ABSTRACT In this work the mechanical properties of poly-vinyl chloride (PVC) from waste electrical wires were evaluated. The waste was composed of 60 wt% PVC, 30 wt% PE, 7 wt% rubber and 3 wt% metallic fraction. The metal was removed manually. PVC was recovered using flotation method. Six PVC/waste blends were prepared. Tensile tests were performed on PVC and blends. Both strength and ductility were reduced as increasing waste content. The reduction in mechanical properties was caused by several heterogeneities presents in the blends. KEYWORDS poly-vinyl chloride, mechanical properties, mechanical recycling of PVC INTRODUCCIÓN El PVC es un material que posee una combinación química de carbono, hidrógeno y cloro. Sus componentes provienen de la sal (57%) y del petróleo o gas natural (43%) principalmente, lo que le convierte en uno de los materiales poliméricos menos dependiente de combustibles fósiles.1-3 Dentro de las características generales del PVC se pueden destacar tanto su elevada resistencia y baja densidad (aproximadamente 1.4 g/cm3) como su versatilidad en diversas aplicaciones gracias al uso de aditivos que le confieren rigidez o flexibilidad. Otra característica a resaltar es que el PVC es estable e inerte, por lo que se utiliza en productos sanitarios y tuberías de agua potable. También, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 29 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. el PVC destaca por sus propiedades ignífugas, y es ampliamente utilizado como aislante eléctrico. Su bajo coste y elevada rentabilidad, combinado con la amplia gama de productos que pueden ser obtenidos a partir de diferentes técnicas y condiciones de procesamiento, hacen que el PVC se convierta en uno de los termoplásticos mayormente utilizados.1,2 De hecho, el consumo de PVC ha llegado a superar los 35 millones de toneladas al año.1,3-6 No obstante, esta enorme producción de PVC ha traído como consecuencia una gran expansión de residuos, con lo cual, su eliminación (en términos ambientales) ha adquirido una creciente importancia en la industria transformadora del plástico. Hasta hace unos años, la vía más sencilla para la eliminación de desechos de PVC era la de los vertederos. No obstante, esta alternativa ha comenzado a ser cada vez menos viable debido a la disminución de las áreas disponibles para el vertedero, además del coste que genera. Otra alternativa es la incineración, la cual se lleva cabo junto con otros residuos sólidos urbanos. Esta última vía ha sido tema de controversia, ya que mientras algunos estudios señalan que la combustión de residuos de PVC no conlleva daños al medio ambiente, otros estudios indican que no siempre se puede controlar las emisiones, incrementando la posibilidad de riesgos ambientales asociados con el cloruro de hidrógeno.2,7-9 A día de hoy, la ruta más adecuada es el reciclado mediante la recuperación del PVC. Según datos recopilados,9,10 el reciclaje del PVC ha aumentado notoriamente en los últimos años, y es hoy en día un tema de creciente interés para varios trabajos de investigación.5 A pesar de las ventajas que conlleva el reciclado,11,12 sólo una pequeña parte de los residuos de PVC es reutilizada, aunque es importante resaltar que existen ya numerosos programas de reciclaje. Por ejemplo, Vinyl 2010 se estableció en el año 2000 con los objetivos enfocados en: minimizar el impacto medioambiental de la producción de PVC, promover el uso responsable de los aditivos, reducir los residuos y, aumentar la recogida y el reciclado. Según los datos proporcionados,13,14 cerca de 194 950 toneladas de PVC fueron reciclados en el 2008, un incremento del 30% sobre el año 2007 cuando se reciclaron cerca de 149 500 toneladas, 30 lo que representó un reciclaje de aproximadamente de 2.5% del consumo total de PVC en Europa. La figura 1 muestra la cantidad de PVC reciclado en Europa desde 2003 hasta 2008 e indica claramente el rápido aumento de la tasa de reciclaje en los últimos años.13,14 Entre los países europeos, Alemania es internacionalmente considerada como el país más avanzado en el reciclado del PVC, y cuenta además con el mayor número de empresas recicladoras.13-15 Otro ejemplo de programa de reciclaje es Recovinyl, organización creada en el año 2003 por Vinyl 2010 para garantizar un suministro constante de residuos post-consumo de PVC. Este programa ha tenido como objetivos particulares: facilitar la recogida, clasificar, despachar y reciclar los desechos de PVC (principalmente de los desechos provenientes del sector de la construcción). Todo ello mediante la participación e incentivación de las empresas acreditadas para la recuperación de residuos de PVC y su reciclado. En el año 2011, Recovinyl estuvo activo en 16 países europeos, con 148 empresas recicladoras y un volumen de 253 086 toneladas de residuos postconsumo de PVC. Un año atrás (2010), empresas recicladoras españolas invirtieron en el aumento de la capacidad de sus plantas, con la finalidad de incrementar significativamente el reciclaje de residuos de PVC, principalmente de residuos provenientes de cables eléctricos. Lo anterior se reflejó claramente en el incremento en volumen de residuo de PVC reciclado en España durante el año 2011, que fue del 58.91% frente al año 2009.13, 14 Fig. 1. Grafica que muestra la tendencia sobre la cantidad de PVC reciclado en Europa ref. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. A pesar de que en la actualidad existen numerosos métodos y técnicas para el reciclado de plásticos, algunas de éstas técnicas de reciclaje no llegan a ser del todo favorables para el reciclado de PVC, debido principalmente a la presencia del cloro en su estructura.7 En particular, el vertido y el compostaje no son los métodos más adecuados debido a los riesgos que podría suponer la degradación oxidativa del PVC para el medio ambiente.3 La incineración y la pirolisis también pueden llegar a ser contraproducentes a causa de las grandes cantidades de cloruro de hidrógeno y otros productos tóxicos que se liberan durante la calcinación del PVC.15 Por lo anterior, los métodos de reciclado químico y mecánico son lo que han dado (hasta el momento) los mejores resultados.1 El método de reciclado químico se basa en la descomposición del material para obtener monómeros con los cuales, a partir de un proceso de polimerización, se obtienen nuevos materiales y/o productos.7,10,15,16 El reciclado químico puede realizarse mediante diversas técnicas de procesado (despolimerización por hidrogenación, disolución, solvolisis), siendo la disolución el proceso que se utiliza mayoritariamente en el reciclado de PVC. El método de reciclado mecánico es un proceso físico que, por lo general, se lleva a cabo cuando se conoce la formulación del material (generalmente en un proceso petroquímico), y cuando se conoce la procedencia de los residuos sólidos urbanos (materiales post-consumo), muy importante en el caso del PVC. Los procesos convencionales de reciclado mecánico implican la limpieza, la separación, la molienda y la transformación, y no conllevan ningún cambio en la composición química del material. En el caso que se conozca la formulación del material, las etapas de limpieza y separación no suelen ser necesarias. El volumen de los residuos de PVC a reciclar, la calidad y el costo de la ordenación y separación de los materiales, son algunos de los factores más importantes que determinan el costo final del PVC reciclado mecánicamente. Es sabido que la falta de homogeneidad, debido a la presencia de otros materiales termoplásticos y aditivos que contienen los residuos de PVC, es uno de los problemas a Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 considerar dentro del reciclado mecánico, ya que da lugar a un material difícil de procesar y con fases no miscibles que conllevan complicaciones ya sea al momento del reprocesado o bien durante el proceso de transformación. Por lo anterior, surge la idea de realizar un trabajo de investigación cuyo objetivo general sea analizar el reaprovechamiento del reciclaje mecánico del PVC, utilizando como residuo material procedente de cables eléctricos. El objetivo particular del presente trabajo es evaluar la viabilidad de reciclaje del PVC para la fabricación de nuevos productos, en función de las propiedades mecánicas obtenidas a tracción. MATERIALES En este trabajo se utilizó el PVC comercial BENVIC® EPA0100900AA, suministrado por Solvay Benvic, el cual es un PVC plastificado con una densidad de 1.38 g/cm3, una tensión a la rotura de 10 MPa y una deformación a la rotura de 225 %. Para las mezclas se utilizó un residuo (R) proveniente de cables eléctricos, el cual fue suministrado por una empresa autorizada de gestión de residuos de cable eléctrico con sede en Catalunya, España. Según esta empresa, la composición en peso de este residuo puede llegar a ser de: 60% PVC, 30% polietileno, 7% goma y 3% fracción metálica. MÉTODOS EXPERIMENTALES Los cables eléctricos se constituyen básicamente de un alma conductora (alambre de cobre o aluminio) y un aislante (mezcla de PVC, polietileno y elastómeros). Durante el proceso de reciclado, lo primero que se retira es el material conductor debido a su valor comercial. No obstante, siempre quedan restos de metal que deben ser removidos del residuo previo al reciclado. En este trabajo, la separación de la fracción metálica contenida en el residuo se llevó a cabo de forma manual, por lotes de aproximadamente 100 gr. Una vez retirado el metal, la recuperación de PVC se realizó mediante el método de separación por diferencia de densidades (conocido también como proceso de selección por flotación). Para ello, el residuo libre de metal se colocó dentro de un vaso de precipitado y se utilizó agua (ρ = 1 gr/cm3) como 31 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. Tabla I. Nomenclatura, composición nominal y apariencia física de los materiales empleados. Nomenclatura Composición nominal en peso PVC 100 % PVC PVC/7R 93 % de PVC virgen + 7 % de residuo PVC/15R 85 % de PVC virgen + 15 % de residuo PVC/25R 75 % de PVC virgen + 25 % de residuo PVC/50R 50 % de PVC virgen + 50 % de residuo PVC/75R 25 % de PVC virgen + 75 % de residuo R 100 % residuo 32 Apariencia de la mezcla triturada Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. medio de suspensión. Posteriormente, el residuo de PVC recuperado se colocó dentro de una estufa con circulación forzada de aire (J.P. Selecta®) a 80ºC durante 24 h. Las mezclas PVC/R se realizaron en una mezcladora de rodillos contrarotantes IQAP-LAP modelo RL-110. La temperatura de los rodillos fue de 210ºC, y tanto la velocidad como la distancia entre los rodillos tuvieron que ser modificadas a conveniencia. A pesar de que la mezcladora de rodillos no proporciona un elevado grado de mezclado, es bastante eficaz para intentar evitar la degradación del PVC, el cual puede liberar ácido clorhídrico durante su descomposición. El procedimiento de mezclado es bastante simple, primero se coloca la mezcla PVC/R sobre los rodillos atemperados, haciéndola pasar poco a poco, y se aumenta la distancia entre los rodillos con la finalidad de obtener una película cada vez más gruesa. Posteriormente, la película obtenida se tritura para poder transformar el material. Es importante resaltar que el mismo procedimiento se aplicó al PVC virgen para poder comparar el efecto del contenido de residuo bajo un mismo tratamiento de mezclado. La tabla I muestra la nomenclatura y composición de los materiales analizados en este trabajo. Tanto el PVC como las mezclas PVC/R fueron transformadas mediante el proceso de compresión, utilizando una prensa de platos calientes IQAPLAP modelo PL-15. Es importante resaltar que la preparación de placas, con un espesor homogéneo y una buena calidad superficial, conllevó un gran esfuerzo. En un principio se pensó en preparar placas sin hacer pasar el material a través de la mezcladora a de rodillos. Así, utilizando solamente el residuo, al aplicar una temperatura de 210 ºC y 11 bares de presión durante 1 minuto, se obtuvo una placa de 4 mm de espesor con muy poca homogeneidad y una gran cantidad de material infundido (figura 2a). Al aumentar la temperatura se obtuvo una placa con menor cantidad de material infundido, pero con una pésima calidad superficial (figura 2b). Al incrementar aún más tanto la temperatura como la presión (figura 2c), la calidad de la placa obtenida no presentó variaciones significativas respecto a lo mostrado en las figuras 2a y 2b. Debido a los resultados obtenidos, se decidió realizar dos pasos de compresión. Así, a la placa de la figura 2a, se le aplicó nuevamente el proceso de compresión (bajo las mismas condiciones de presión y temperatura) pero utilizando ahora un marco de 1 mm de espesor, el resultado puede apreciarse claramente en la figura 3a. A pesar de que esta placa presentó una sustancial mejora superficial, el material mostró poca adherencia entre sí, con lo cual la placa se rompía fácilmente sólo con ser doblada con las propias manos. En base a lo anterior, se decidió pasar el residuo por la mezcladora de rodillos IQAP-LAP, y realizar dos pasos de compresión. De esta forma, el material ya mezclado y triturado se comprimió dos veces a una temperatura de 210 ºC y una presión aplicada de 11 bares durante 1 min, obteniéndose finalmente una placa homogénea. El cambio visual es bastante notorio según se puede apreciar en la figura 3b. Este mismo procedimiento se aplicó tanto al PVC como a las mezclas PVC/R utilizando las concentraciones de residuo presentadas en la tabla b c Fig. 2. Fotografías correspondientes a las placas de 100 % residuo, obtenidas mediante el método de compresión: a) compresión bajo las condiciones expuestas en métodos experimentales, b) compresión aumentando la temperatura y c) compresión incrementando la temperatura y la presión. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 33 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. deformación a rotura (εb). Los valores presentados en este trabajo corresponden al promedio de al menos 8 ensayos válidos. La observación de la superficie de rotura se realizó con una lupa microscópica modelo Carton. a b Fig. 3. Fotografías correspondientes a las placas de 100 % residuo obtenidas mediante: a) mezclado manual y comprimida dos veces, y b) previamente mezclado mediante rodillos y comprimida dos veces. I. Visualmente, las placas correspondientes a las mezclas PVC/R variaron de tonalidad en función del contenido de residuo, según se aprecia en la figura 4. A partir de las placas obtenidas se troquelaron probetas halterio tipo IV, utilizando una troqueladora CEAST modelo 6051. Las probetas fueron utilizadas para la caracterización mecánica de los materiales (figura 4). Fig. 4. Fotografía correspondiente a la evolución de la tonalidad del color en las placas conforme se aumenta el contenido de residuo. Se aprecia también una probeta de tracción troquelada directamente de una de las placas. La caracterización mecánica se llevó a cabo mediante ensayos a tracción uniaxial (siguiendo lo establecido por la norma ISO 527), utilizando una máquina de ensayos universal modelo Galdabini Sun 2500, equipada con una célula de carga de 5kN y un videoextensómetro Mintron OS-65D. Las probetas se ensayaron a una velocidad de separación de mordazas de 10 mm/min y temperatura ambiente (22 ± 1ºC), y se obtuvieron las correspondientes curvas esfuerzo Vs deformación. A partir de dichas curvas se determinó la tensión máxima (σm) y la 34 RESULTADOS Obtención de residuo La selección por flotación permitió determinar la cantidad en peso de dos porciones de mezclas: una fracción ligera (en su mayoría compuesta de polietileno y goma, con densidades inferiores a la del agua), y una fracción pesada (no flotante) que correspondió mayoritariamente al PVC. La tabla II muestra los resultados de separación obtenidos. Según los resultados presentados en la tabla II, el residuo contenía aproximadamente un 77 % en peso de PVC. Tabla II. Composición promedio del residuo mediante separación por flotación. Muestra (100 g) Fracción ligera (gr) Fracción pesada (gr) 1 23.7 76 2 25.5 74.2 3 22.8 76.9 4 18.4 79.4 5 23 76.7 Contenido (%) 23 ± 0.03 77 ± 0.02 Propiedades mecánicas La figura 5 muestra las curvas tensión Vs deformación correspondientes al PVC, al residuo y a las mezclas PVC/R. Todos los materiales ensayados rompieron de manera similar, sin evidenciar un claro punto de fluencia y alcanzando un valor de tensión máximo previo a la rotura. Físicamente, las probetas no presentaron una deformación localizada o cuello, estirándose homogéneamente hasta la rotura. La diferencia mayor se puede apreciar en la figura 5f, donde el área bajo la curva del residuo disminuye drásticamente en comparación con la del PVC. La tabla III presenta los parámetros mecánicos (σmáx y εb) obtenidos a partir de las curvas esfuerzo Vs deformación. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. a b c d e f Fig. 5. Curvas esfuerzo vs deformación representativas de: a) PVC/7.5R, b PVC/15R, c) PVC/25R, d) PVC/50R, e) PVC/75R y f) PVC y 100 % residuo. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 35 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. Tabla III. Parámetros mecánicos obtenidos en función del contenido de residuo. Contenido de σmáx (MPa) residuo (%) εb (%) 0 9.23 ± 1.03 268.4 ± 55.25 7.5 5.91 ± 0.73 155.4 ± 30.06 15 4.02 ± 0.35 85.32 ± 21.13 25 4.07 ± 0.57 77.21 ± 23.74 50 2.36 ± 0.35 28.78 ± 8.41 75 2.43± 0.096 14.4± 1.35 100 2.51± 0.33 7.27± 1.55 Tal como cabría esperar, la tensión máxima y la deformación disminuyen drásticamente al incrementar el contenido de residuo. Lo anterior se podría atribuir principalmente a la heterogeneidad que presenta el residuo, con tamaños diversos de partículas no fundidas, tal como se puede apreciar en las imágenes correspondientes a la superficie de rotura de las probetas de tracción mostradas en la figura 6. EL PVC muestra una superficie de rotura muy homogénea y aparentemente sin cavitaciones (figura 6a), mientras que la superficie de rotura a b c d e f g Fig. 6. Fotografías correspondientes a la superficie de rotura del: a) PVC, b) PVC/7.5R, c) PVC/15R, d) PVC/25R, e) PVC/50R, f) PVC/75R y g) 100 % residuo 36 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. de las mezclas PVC/R (figura 6b-g) presentaron cavitaciones y varias partículas infundidas de diversos tamaños. En la figura 6, se puede apreciar que al aumentar el contenido de residuo, el número de partículas infundidas aumenta notoriamente. En base a lo anterior, es posible asumir que las partículas infundidas no se encuentran completamente adheridas al PVC, con lo cual la resistencia disminuye, aunado a lo anterior, el incremento de las partículas infundidas estaría favoreciendo la rotura prematura del material, justificando así el bajo valor de resistencia y ductilidad obtenidos en las mezclas PVC/R. La figura 7 muestra la evolución de los parámetros mecánicos (σmax y εb) obtenidos respecto al contenido de residuo. Tal como se ha mencionado, al añadir el residuo al PVC, la resistencia disminuye. No obstante esta reducción no llega a ser continua, tal como se puede apreciar en la figura 7a. Con un 7.5 % de residuo, la resistencia llega a disminuir aproximadamente un 36 %, mientras que con un contenido de residuo comprendido entre un 15-25 % en peso, la resistencia máxima disminuye hasta un 57 %; y finalmente, a partir de un 50 % de residuo, la resistencia disminuye un 74 % respecto a la del PVC. A diferencia de lo observado en las tendencias obtenidas para el esfuerzo máximo, la deformación a rotura de las mezclas PVC/R tiende a disminuir continuamente al aumentar el contenido de residuo (figura 7b). Así, con un 7% de contenido de residuo, la deformación disminuye un 42% respecto al PVC y hasta un 97% utilizando sólo residuo. Es importante resaltar que al aumentar el contenido de residuo, la desviación estándar obtenida se reduce considerablemente debido a la poca dispersión de los resultados, lo cual se ha atribuido a la heterogeneidad del mezclado, ya que al aumentar el contenido de residuo, se incrementa también el número de partículas infundidas, las cuales impiden que el material alcance los valores de esfuerzo y deformación esperados. CONCLUSIONES En este trabajo se analizó el comportamiento mecánico de mezclas de PVC con el residuo proveniente de cables eléctricos. La separación por flotación reveló que el residuo contenía aproximadamente un porcentaje promedio del 77 % en peso de PVC. El residuo y las mezclas PVC/R necesitaron de dos pasos de moldeo por compresión para obtener placas con un espesor homogéneo y una buena calidad superficial. El PVC también fue sometido al mismo proceso de compresión para comparar adecuadamente los resultados. El comportamiento mecánico mostró que tanto la resistencia como la ductilidad disminuyen al aumentar el contenido de residuo, y se atribuyó a la heterogeneidad de las mezclas y a la presencia de partículas infundidas. Los resultados experimentales obtenidos señalan que las mezclas de PVC/R poseen un rendimiento muy limitado en aplicaciones donde el material esté sometido a esfuerzos o cargas bajo tracción. a b Fig. 7. Efecto del contenido de residuo sobre: a) el esfuerzo máximo y b) la deformación a rotura. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 37 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. A pesar del pobre rendimiento mecánico obtenido, los autores consideran este trabajo un primer paso en la mejora de las propiedades mecánicas de mezclas PVC/R, y se encuentran aplicando nuevas rutas de mejora, dentro de las cuales se podrían destacar el uso de extrusoras que permitan obtener un adecuado mezclado de los materiales o bien, reducir y homogeneizar el tamaño del residuo a través de tamices. REFERENCIAS 1. Braun, D., PVC — origin, growth, and future. Journal of Vinyl and Additive Technology, 2001. 7(4): p. 168-176. 2. Hegberg, B.A., W.H. Hallenbeck, and G.R. Brenniman, Plastics recycling rates. Resources, Conservation and Recycling, 1993. 9(1–2): p. 89-107. 3. Yarahmadi, N., I. Jakubowicz, and L. Martinsson, PVC floorings as post-consumer products for mechanical recycling and energy recovery. 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El método toma en cuenta el contenido modal de las señales medidas, capturándola de simulaciones de estabilidad transitoria. La eficiencia de la técnica presentada se estima por medio de simulaciones computacionales de los modelos estimados. PALABRAS CLAVE Estimación de modelo inter-área, criterio de áreas iguales, estabilidad transitoria, modelo de orden reducido, medición fasorial. ABSTRACT This paper presents a technique based upon phasor measurements, to hierarchically classify synchronous generators, allowing the representation, in an angle-frequency plane, of the electromechanical oscillations arising in a power system. This analytical framework is useful for obtaining a reducedorder model of a radial power system, making possible to evaluate the evolution of the system through two security indices based on the equal area criterion. The method takes into account the modal content of the measured signals, thus captured from transient stability simulations. The efficiency of this technique is determined by means of computer simulations of the estimated models. KEYWORDS Inter-area mode estimation, equal area criterion, transient stability, reducedorder model, phasor measurement. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 39 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. INTRODUCCIÓN La confiabilidad es un factor clave cuando se trata de la operación de un sistema de potencia.1 Para tener un servicio confiable, la integridad de una red eléctrica debe mantenerse. Aunque en las últimas dos décadas gran parte del interés se ha enfocado en la identificación y análisis de características modales electromecánicas a partir de datos medidos directamente del sistema de potencia,2 ha sido hasta recientemente que la expansión de las mediciones fasoriales sincronizadas ha permitido a los operadores tomar acciones en tiempo real basándose en datos medidos. Un modelo preciso de los procesos transitorios debe capturar características temporales dominantes de la dinámica del sistema observado y relacionar estas características con aspectos específicos de interés.3 Esto es particularmente cierto en el desarrollo de sistemas de medición y control de área amplia, en los que el impacto específico de los dispositivos o eventos en el comportamiento dinámico del sistema debe ser adecuadamente analizado.4 Estudios anteriores, encontrados en la literatura, se han centrado en la identificación de los mecanismos para la inestabilidad y el análisis de la variabilidad de los datos medidos teniendo en cuenta mediciones fasoriales sincronizadas seleccionadas. Otros autores han desarrollado técnicas analíticas que buscan mantener la dinámica del sistema, al tiempo que reducen la complejidad de los modelos. La metodología presentada en este artículo tiene por objeto representar una parte de un sistema de potencia como un equivalente de orden reducido y, a partir de éste, evaluar el nivel de seguridad del sistema en faltas graves. Lo anterior, utilizando la información sobre el estado operativo del sistema y la dinámica proporcionada por mediciones fasoriales. Se incluye la comparación de los resultados numéricos obtenidos por el método propuesto empleando simulaciones numéricas. Se ha demostrado que el procedimiento propuesto tiene un gran atractivo y puede ser utilizado para la evaluación en línea de la seguridad del sistema eléctrico. Implementación de la Plataforma de Prueba En esta sección se presenta la metodología para 40 la implementación de la plataforma de análisis propuesta. Adecuadamente para la aplicación, los datos del estudio se procesaron utilizando una ventana deslizante, cuyo tamaño se consideró mayor que 50 muestras. Esto representa al menos 0.49 s de datos medidos por ventana (para un tiempo de muestreo Δt=10 ms). Agrupamiento Jerárquico En este trabajo, se utilizó la herramienta de agrupamiento jerárquico aglomerativo.5,6 Con esta herramienta es posible determinar la ubicación eléctrica de los generadores síncronos de acuerdo a la zona a la que corresponden mediante la evaluación de su oscilación coherente. Para esto, la matriz de medición, M, se define como con ⎡ m1 ⎤ ⎢m ⎥ M = ⎢ 2⎥ ⎢ # ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ mn ⎦ mi = [θi (1) fi ] (2) donde θi y fi son el ángulo de voltaje y la frecuencia del i-ésimo bus de generación, respectivamente, y n es el número de buses generación. El centro eléctrico de un sistema de energía es análogo al centro de masa de un sistema de partículas5. Esto puede ser demostrado por el hecho de que la dinámica de ambos sistemas es descrita por la segunda ley del movimiento de Newton. La estrecha relación entre un sistema eléctrico y uno mecánico se muestra en la tabla I. En consecuencia, el vector de constantes inercia, H, para las n partículas análogas correspondientes a los n generadores está dado por ⎡ H1 ⎤ (3) H = ⎢⎢ # ⎥⎥ . ⎢⎣ H n ⎥⎦ Tabla I. Analogía entre sistemas eléctricos y sistemas mecánicos. Sistema Mecánico Sistema Eléctrico Masa (m) constante de inercia (H) Coordenadas (x, y) Atributos (θ, f) Centro de masa Centro Eléctrico Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. Del mismo modo, de acuerdo con (2), el vector de atributos, A, está dado por ⎡ θ1 + jf1 ⎤ (4) A = ⎢⎢ # ⎥⎥ , ⎢⎣θn + jf n ⎥⎦ donde j es la unidad imaginaria. El centro eléctrico, en un dominio bidimensional, se calcula entonces de la siguiente manera: n cx = ∑H i =1 i Re{ Ai } ∑H i =1 n cy = , n ∑H i =1 i i (5) Im{ Ai } . n ∑H i =1 i Estimación del Modelo Inter-área El método de estimación del modelo inter-área (IME)7–9 permite estimar los parámetros eléctricos de un sistema de potencia de orden reducido de dos áreas a partir de las mediciones fasoriales de los voltajes y corrientes en la interconexión. El método calcula las constantes de inercia (H), reactancias equivalentes (x), y voltajes internos y ángulos (E, δ) de los generadores para la red equivalente correspondiente. Se puede simplificar un gran sistema eléctrico radial preservando al mismo tiempo sus características dinámicas con una precisión aceptable. Se asumen modelos clásicos de los generadores síncronos y líneas de transmisión de parámetros concentrados para el modelado del sistema equivalente. La figura 1 muestra un gran sistema eléctrico radial y su equivalente de orden reducido. En este caso, E1 y E2 son los voltajes internos de los generadores equivalentes de modelo clásico, z1 y z2 son las impedancias equivalentes para cada área, y ze es la impedancia de la línea de enlace. Para poder hacer uso de esta técnica de estimación, es necesario disponer de mediciones fasoriales de los voltajes de los nodos de envío y recepción, así como la corriente a través de la interconexión. El método IME se compone de dos etapas principales: el método de extrapolación de reactancia (estimación de la reactancia equivalente para cada Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 1. Gran sistema de potencia radial: (a) sistema completo y (b) equivalente de orden reducido de dos áreas. área, x1 y x2) y la estimación de las inercias de las máquinas equivalentes (H1 y H2). La ecuación de oscilación global del sistema, despreciando el amortiguamiento y las pérdidas, está dada por HH �= δ� = Ωω, 2 1 2 ω H1 + H 2 (6) H 2 Pm1 − H1 Pm2 E1 E2 − sen δ, H1 + H 2 x1 + x2 + xe donde ω=ω 1-ω 2 es la velocidad angular de las máquinas equivalentes y δ=δ1-δ2 es la diferencia de los ángulos de los voltajes internos. Con el fin de representar con exactitud un gran sistema radial de potencia con un modelo de orden reducido, es necesario calcular todos los parámetros equivalentes que aparecen en (6). Extrapolación de reactancias Como un primer paso, el voltaje en el enlace se expresa como una función de la impedancia. La figura 2 muestra un circuito básico donde los puntos extremos A y B representan los nodos internos de cada área equivalente. C es un punto en cualquier lugar de la línea A–B con una impedancia z=r+jx vista desde B. 41 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. Fig. 2. Circuito simplificado de un sistema de dos áreas. Supongamos que Ĩ es el fasor de corriente de A a B, por lo tanto el voltaje en el punto C está dado por V� (r , x) = E� 2 + (r + jx) I� = E2 + r + jx (E1 cos δ + jE1 sen δ − E2 ) re′ + je′ (7) = E2 (1 − a ) + E1 (a cos δ − b sen δ) + j (E1 (b cos δ + a sen δ − bE2 ) ), donde a= rre′ + xxe′ , re′2 + xe′2 (8) xre′ − rxe′ . re′2 + xe′2 La magnitud del fasor se define como V (r , x) = V� (r , x) b = Fig. 3. Sistema de potencia radial con bus intermedio. = c + 2 E1 E2 ((a − a 2 − b 2 ) cos δ− b sen δ ) (9) =V (a, b, δ), donde c = E22 b 2 + (1 − a ) 2 + E12 a 2 + b 2 (10) es una constante. Linealizando (6) y (9) en el punto de equilibrio (δ0,ω0=0,Vss) se tiene ( ) ( ) Δδ� = ΩΔω, � = 2 H Δω E1 E2 zm ( H1 + H 2 ) ( H 2 sen(δ0 + α) − H1 sin(δ 0 − α ) ) Δδ, ΔV ( x ) = ( ) V ( a , b, δ 0 ) Δδ. Si la resistencia re′ se desprecia, entonces x a= , xe′ (12) y (11) se simplifica como 42 a (1 − a ) Δδ. V ( a, δ 0 ) xe 2 . a3 = x1 + xe + x2 Suponiendo, por simplicidad, que el nodo 3 está situado a medio camino entre los nodos 1 y 2, entonces z V�3 = V�1 − j e I�. 2 b = 0, ΔV (a, δ) = − E1 E2 sen δ0 Definiendo A = − E1 E2 sen δ0 Δδ(t0 ), (14) el voltaje normalizado en el i-ésimo nodo se calcula como Vin = VimViss = A(1 − ai )ai , (15) donde Viss es el voltaje de estado estacionario en el i-ésimo nodo medido antes de una perturbación, y x2 + xe a1 = , x1 + xe + x2 (16) x2 a2 = , x1 + xe + x2 x2 + (11) − E1 E2 sin δ 0 a − a 2 − b 2 − b cos δ 0 Considere el sistema con un nodo intermedio mostrado en la figura 3. La amplitud del voltaje oscilatorio para cada nodo, en el tiempo t=t0, se representa como Vim, i=1,2,3. Los voltajes oscilatorios Vim se asocian a un modo oscilatorio inter-área y fueron calculados utilizando el método de trazo de la función generalizado (GPoF).10 Mientras que las estimaciones modales se pueden obtener con una amplia gama de herramientas de descomposición11 (por ejemplo la transformada rápida de Fourier, el algoritmo de clasificación de múltiples señales, el método de Prony, el algoritmo de realización de eigensistemas), el método GPoF mostró tener la mejor eficiencia computacional y la mejor respuesta ante ruido.12–14 (13) (17) El voltaje Ṽ3 puede ser tanto un voltaje medido como uno estimado. En este trabajo se supone que es una cantidad medida. Resolviendo para A en (15) y reordenando, se tiene Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. V1n (1 − a2 )a2 = V2n (1 − a1 )a1 , (18) V3n (1 − a1 )a1 = V1n (1 − a3 )a3 . Por lo tanto, las reactancias x1 y x2 se calculan mediante la solución numérica del sistema de ecuaciones no lineales dado por (16) y (18). Cálculo de los voltajes internos Una vez que las reactancias equivalentes, x1 y x2, se han estimado, el cálculo de los voltajes internos es sencillo, ya que las mediciones fasoriales de Ṽ1, Ṽ2 e Ĩ están disponibles. Según la ley de voltajes de Kirchhoff, los voltajes internos están dados por E�1 = V�1 + jx1 I�, (19) E� = V� − jx I�. 2 2 2 Estimación de las constantes de inercia equivalentes Con el fin de calcular las constantes de inercia equivalentes H1 y H2 es necesario relacionar la frecuencia de modo inter-área con los parámetros del sistema. Esto se hace linealizando (11) y resolviéndola para la frecuencia de modo inter-área (en Hz) de la siguiente manera: f = 1 E1 E2 Ω ( H 2 sin(δ 0 + α ) − H1 sen(δ 0 − α ) ) 2π 2( H1 + H 2 ) Hz m , (20) donde Ω = 2πf . Resolviendo para la constante de inercia equivalente H, resulta H= E1 E2 Ω ( H 2 sin(δ 0 + α ) − H1 sen(δ 0 − α ) ) 2( H1 + H 2 ) z m (2πf ) 2 . (21) Si se desprecia la resistencia de la línea, entonces α≈ /2 rad y (21) toma la siguiente forma: E1 E2 cos δ0 Ω H1 H 2 (22) = . H1 + H 2 2( x1 + xe + x2 )(2πf ) 2 La frecuencia del modo inter-área f se calcula a partir de las señales de voltaje utilizando el método GPoF discutido anteriormente. Por otra parte, utilizando el concepto de momento angular total ∫ . . L = 2 H1ω1 + 2 H 2 ω2 = ( H1 ω1 + H 2 ω2 ) dt = ∫ (P m1 − Pe1 + Pm2 − Pe2 ) dt = 0 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 (23) y despreciando las pérdidas y el efecto de amortiguamiento, se tiene H1 ω (24) =− 2. H2 ω1 Aunque ni ω1 ni ω2 puede obtenerse de forma directa a partir de las mediciones fasoriales, pueden calcularse de las frecuencias de los voltajes de los buses ξ1 y ξ2 de la siguiente manera: a ω + b (ω + ω2 ) cos(δ1 − δ 2 ) + c1ω2 ξ1 = 1 1 1 1 , (25) a1 + 2b1 cos(δ1 − δ 2 ) + c1 donde a1 = E12 (1 − r1 ) 2 , b1 = E1 E2 r1 (1 − r1 ), c1 = r12 E22 , r1 = x1 . x1 + xe + x2 De manera similar ξ2 = a2 ω1 + b2 (ω1 + ω2 ) cos(δ1 − δ 2 ) + c2 ω2 a2 + 2b2 cos(δ1 − δ 2 ) + c2 , (26) donde a2 = E12 (1 − r2 ) 2 , b2 = E1 E2 r2 (1 − r2 ), x1 + xe . x1 + xe + x2 Las frecuencias de los voltajes de bus se calculan mediante el procesamiento de los ángulos de voltajes de bus utilizando un filtro derivativo. Después, estas señales son post-procesadas utilizando el algoritmo GPoF con el fin de tener sólo la componente del modo oscilatorio inter-área, como se muestra en la figura 4. Al resolver numéricamente (25) y (26) para ω1 y ω2, y posteriormente resolver (22) y (24), es posible calcular los valores de las constantes de inercia equivalentes H1 y H2. c2 = r22 E22 , r2 = Índices de Seguridad Se proponen dos índices basados en el criterio de áreas iguales con el fin de determinar el límite de estabilidad de primera oscilación de un sistema de potencia radial. Asumimos en esta sección que el sistema en estudio puede reducirse a la forma mostrada en la figura 1, los generadores equivalentes se representarán por el modelo clásico, y todas las pérdidas se desprecian. Para propósitos de análisis, se supone que la potencia mecánica se mantiene constante durante el 43 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. De acuerdo con lo anterior, las curvas ángulopotencia no cambian durante el tiempo de estudio. Las fallas aplicadas se liberan después de un tiempo de liberación t c=83 ms sin cambiar la topología de la red, por lo tanto las curvas ángulopotencia de pre- y post-falla son idénticas. Índice de Seguridad 1 La idea es estimar δ̂ de tal manera que maximiza la potencia transmitida (véase la figura 5), por lo tanto, E1 E2 Pe = sen δ → max, (28) x1 + x2 + xe δ=δˆ sujeto a ∫ ˆ δ+δ c δˆ Fig. 4. Ángulos, frecuencias y componentes modales de los voltajes de bus: línea continua, bus 1, línea discontinua, bus 2. Se consideran fallas trifásicas sólidas para formular los índices propuestos, ya que son éstas las que tienen el mayor impacto en la estabilidad del sistema de potencia. tiempo de estudio y es igual a la potencia eléctrica antes de la perturbación. Se puede demostrar que es posible evaluar la estabilidad transitoria del sistema en primera oscilación mediante el análisis de sólo la curva ángulo-potencia correspondiente a un único generador7,8, como indica. δ� = Ωω, ( Pe − Pe falla ) d δ − ∫ δmáx ˆ δ+δ c ( Pe post − Pe ) d δ = 0, (29) donde ω0 Pac 2 (30) tc , 4H y suponiendo una falla trifásica sólida Pac = Pm = Pe . δc = δˆ + (27) Fig. 5. Criterio de áreas iguales aplicado a la estimación de índices de seguridad. con δ=δ1-δ2. Por lo tanto, la curva ángulo-potencia asociada a (27) es suficiente para evaluar la estabilidad de todo el sistema. Se hicieron las siguientes suposiciones: Como los generadores se supusieron representados por modelos clásicos, los voltajes internos se asumen constantes. Los parámetros estimados x1, x2, xe, H1 y H2 se mantendrán constantes mientras se realiza el cálculo de los índices de seguridad. Así, el índice de seguridad propuesto para la máxima transferencia de potencia, SI1, se define como ⎛ P ⎞ SI1 = ⎜1 − e0 ⎟ , (31) ⎝ Pe lím ⎠ donde Pe0 es la potencia eléctrica a través de la interconexión antes de una perturbación, y Pe lím es la potencia máxima estimada que el sistema es capaz de transmitir antes de perder la estabilidad. Este algoritmo calcula el límite de transferencia de potencia admisible y la expresa como un índice. De esta manera, el operador puede tener una idea clara de HH E1 E2 � = Pm1 − 2 1 2 ω sen δ, H1 + H 2 x1 + x2 + xe 44 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. la cantidad de energía que todavía se puede transmitir sin comprometer la estabilidad del sistema. Índice de Seguridad 2 En esta sección, se propone un criterio para el tiempo de liberación de falla, basado en el ángulo crítico y la curva ángulo-potencia de post-falla. Si la curva paramétrica C dada por f (δ) = δ g (δ) = Pmáx sen d a ≤ δ ≤ b, (32) donde E1 E2 (33) Pmáx = , x1 + x2 + x3 es suave en el intervalo [a,b], entonces se puede demostrar que su longitud está dada por s= ∫ b 1 + (Pmáx cos δ ) d δ. 2 a (34) La longitud s:R2→R fue elegida para mapear las curvas ángulo-potencia a distancias angulares escalares como se muestra en la figura 6. Nótese que aunque δc-δb=δb-δa, la longitud δa-b no es igual a la longitud δb-c. Por lo tanto, el índice de seguridad, para un máximo tiempo de despeje de falla, SI2, se define como ⎛ s ⎞ SI2 = ⎜ c ⎟ . (37) ⎝ smáx ⎠ Fig. 7. Sistema de estudio de dos áreas y cuatro máquinas. Aplicación El sistema de estudio es un sistema de dos áreas que consta de cuatro generadores de 900 MVA y 20 kV, dos generadores por área como se muestra en la figura 7. Los parámetros de los generadores son: x´d, =0.25 pu, H=6.5 s en la base de sus MVA y kV nominales. Los parámetros de la red de 230 kV aparecen en la tabla II en una base de 900 MVA. Cada transformador elevador tiene una reactancia x=0.15 pu en una base de 900 MVA. Tabla II. Parámetros de la red. Bus de envío Bus de recepción Reactancia, x (p.u.) 1 3 0.495 1 6 0.090 Fig. 6. Longitud de una curva paramétrica C. 1 8 0.045 La distancia crítica, Sc, se define como 2 3 0.495 2 11 0.090 2 13 0.045 5 6 0.225 10 11 0.225 sc = ∫ δc 1 + (Pmáx cos δ ) d δ, 2 δrelé (35) donde δrelé es el ángulo en que la falla se puede liberar por el relé de protección, y Sc es el ángulo crítico. Además, la distancia máxima, Smáx, se define como δmáx 2 (36) smáx = 1 + (Pmáx cos δ ) d δ, ∫ δrelé donde δmáx, π2 ≤ δmáx ≤ π , es el ángulo en el que la potencia mecánica y la curva de potencia eléctrica post-falla se intersecan. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 La tabla III muestra el punto de operación del sistema, con una transferencia de potencia entre áreas de 300 MW. El análisis comprende dos escenarios: el análisis de la estabilidad transitoria del sistema después de una gran perturbación y la respuesta dinámica16 ante pequeñas perturbaciones aleatorias. Se realizaron 45 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. simulaciones utilizando el toolbox PSAT para MATLAB con el fin de comparar el comportamiento dinámico del modelo de orden reducido con la respuesta del sistema de prueba. Tabla III. Solución de flujo de cargas para la red predisturbio. Bus Voltaje de bus (p.u.) Pgen (MW) Pcarga (MW) Qcarga (MW) 1 0.9597 - - - 2 0.9511 - - - 3 0.9390 - - - 4 1.05 588.29 - - 5 1.0193 - - - 6 0.9903 - - - 7 1.05 690.25 - - 8 0.9536 - 972.99 90.33 9 1.05 594.0 - - 10 1.0177 - - - 11 0.9866 - - - 12 1.05 594.0 - - 13 0.9431 - 1485.5 88.95 Caso 1: Análisis de Estabilidad Transitoria Para el caso de estudio 1, se aplicó una falla trifásica en la mitad de la interconexión (bus 3). La falla se liberó después de 5 ciclos. Esta falla es capaz de excitar los modos electromecánicos del sistema de potencia, como se ve en las oscilaciones de la potencia transmitida a través de la interconexión mostrada en la figura 8. La figura muestra también, la magnitud, el ángulo del voltaje en los nodos 1, 2 y 3. Aunque se llevó a cabo una simulación de 10 segundos, se utilizaron ventanas estudio de 2 segundos (200 muestras), como se mencionó anteriormente. El proceso de agrupamiento de los generadores se muestra en la figura 9. En este caso, el plano de fase presenta la respuesta oscilatoria de generadores de frecuencias y ángulos. Con la topología del sistema definida por el proceso de agrupamiento, se inicia la estimación de los parámetros del modelo equivalente reducido. La frecuencia del modo inter-área se calcula en cada ventana de estudio usando el método GPoF con el fin de obtener los voltajes modales como se muestra en la figura 10. 46 Fig. 8. Potencia transmitida, magnitudes y ángulos de voltajes (línea continua, bus 1, línea discontinua, bus 2, línea de puntos, bus 3) tras el despeje de una falla trifásica. Fig. 9. Agrupamiento de los generadores en un plano de fase (ángulo vs. frecuencia): (a) ventana de análisis 1 (1–3 s), (b) ventana de análisis 2 (3–5 s), (c) ventana de análisis 3 (5–7 s), (d) ventana de análisis 4 (7–9 s). La componente modal de los ángulos de tensión se muestra en la figura 11. Una vez que se estima el modelo reducido, es posible calcular los índices de seguridad en una base ventana por ventana. Estos índices se muestran en la tabla IV, así como la frecuencia estimada del modo inter-área. La respuesta dinámica del modelo reducido se compara con la respuesta dinámica correspondiente del modelo de orden completa como se muestra en la figura 12. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. Fig. 10. Voltajes modales en los buses 1 (línea continua), 2 (línea discontinua) y 3 (línea de puntos). Fig. 12. Comparación de la respuesta dinámica del modelo completo (línea continua) con respecto a la del modelo de orden reducido (línea discontinua). Fig. 11. Ángulo de los voltajes modales en los buses 1 (línea continua), 2 (línea discontinua) y 3 (línea de puntos). Tabla IV. Frecuencia estimada del modo inter-área e índices de seguridad para el caso 1 Ventana de análisis Frecuencia modal (Hz) Índice de seguridad 1 (p.u.) Índice de seguridad 2 (p.u.) 1 0.6196 0.4451 0.4044 2 0.5739 0.4325 0.3923 3 0.5651 0.4105 0.3745 4 0.5745 0.4073 0.3724 Caso 2: Respuesta del Sistema a Perturbaciones Pequeñas En esta sección, la plataforma de análisis se prueba para pequeñas perturbaciones aleatorias que se producen durante la operación normal del sistema. Se evaluaron tres ventanas de estudio (300 muestras por ventana). La figura 13 muestra la potencia de la interconexión, la magnitud y los ángulos de los voltajes de los nodos 1, 2 y 3, mientras que la figura 14 muestra las frecuencias de los buses de Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 generación para la respuesta del sistema a pequeñas perturbaciones mientras se transmiten 300 MW. Después del agrupamiento jerárquico, con el fin de calcular los índices de seguridad, se estimaron los parámetros reducidos del sistema. La tabla V muestra los parámetros del modelo de orden reducido para el sistema, así como el agrupamiento jerárquico de los generadores. Se puede observar que los parámetros estimados del caso 2 son muy próximos a los estimados para el caso 1. La metodología propuesta logra resultados precisos sin la necesidad de que ocurra una perturbación en el sistema, es decir, la plataforma de análisis es capaz de estimar los parámetros de orden reducido y los índices de seguridad con sólo la respuesta de estabilidad dinámica del sistema de potencia. Para el caso 2, el sistema tiene un índice medio de seguridad 1 SI1medio=0.4246 pu. Es decir, el sistema tiene un margen de potencia de transmisión del 42.46% en comparación con el límite de potencia estimada de 0.5811 pu. En otras palabras, es posible enviar 0.247 pu adicionales a través de la interconexión antes de perder la estabilidad. A fin de conocer la exactitud de la estimación de límite de potencia, se llevaron a cabo varias simulaciones. La potencia máxima que el sistema fue capaz de transmitir a través de la interconexión 47 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. Tabla V. Reducción de orden del sistema de prueba e índices de seguridad. Caso 1 2 Ventana Área Área de 1 2 análisis x1 (p.u.) x2 (p.u.) H1 (s) H2 (s) E1 (p.u.) E2 (p.u.) δ1 (deg) δ2 (deg) SI1 (p.u.) SI2 (p.u.) 1 G1,G2 G3,G4 0.4501 0.0023 15.9081 12.8802 1.0055 0.9513 17.6966 -12.6520 0.4451 0.4044 2 G1,G2 G3,G4 0.4467 0.0545 16.0654 15.7804 1.0051 0.9545 17.6329 -13.7566 0.4325 0.3923 3 G1,G2 G3,G4 0.4806 0.0905 19.5808 12.9060 1.0095 0.9569 18.2733 -14.5125 0.4105 0.3745 4 G1,G2 G3,G4 0.5247 0.0575 18.6534 12.5056 1.0154 0.9547 19.1001 -13.8199 0.4073 0.3724 1 G1,G2 G3,G4 0.4817 0.0487 17.7730 15.6803 1.0096 0.9541 18.2953 -13.6339 0.4256 0.3859 2 G1,G2 G3,G4 0.4817 0.0486 19.1571 14.9459 1.0096 0.9541 18.2945 -13.6305 0.4259 0.3860 3 G1,G2 G3,G4 0.4817 0.0487 17.9170 15.5720 1.0096 0.9541 18.2938 -13.6338 0.4256 0.3859 antes de perder la estabilidad resultó ser 0.644 pu, es decir, un índice de seguridad 1 SI1=0.4828 pu, con un error del 9.7%. Además, el sistema tiene un índice medio de seguridad 2 SI1medio=0.3859 pu. Esto significa que la protección de la línea de enlace tiene un margen de tiempo máximo eficaz de 38.59% para liberar la falla con respecto a smáx. Es decir, el ángulo medio del sistema de orden reducido δ0medio=1.361 rad, lo que equivale a un tiempo crítico de liberación tcmedio=407 ms (24 ciclos), mientras que el tiempo crítico de liberación del sistema de modelo de orden completo tcmedio=416.7 ms (25 ciclos), es decir, un error del 4%. Fig. 13. Potencia transmitida, magnitudes y ángulos de voltajes (línea continua, bus 1, línea discontinua, bus 2, línea de puntos, bus 3) sin una gran perturbación en la red. Fig. 14. Frecuencia de buses de generación: bus 1, línea continua; bus 2, línea discontinua; bus 3, línea de puntos; bus 4, línea de puntos y rayas. 48 CONCLUSIONES Los resultados presentados muestran que la agrupación jerárquica así como el uso de modelos de orden reducido permiten la estimación de índices de seguridad precisos que indican la potencia restante a ser transmitida y los tiempos de máximos permisibles de liberación de fallas sin que el sistema de potencia pierda la estabilidad en el sentido de primera oscilación. El algoritmo GPoF como herramienta de extracción modal mostró ventajas computacionales, así como una mejor respuesta ante el ruido en comparación con otras técnicas de descomposición de la señal, por ejemplo el método de Prony, los métodos basados en Fourier, el algoritmo de realización de eigensistemas, o el algoritmo de clasificación de múltiples señales. La plataforma de análisis propuesta muestra un buen desempeño, siendo capaz de estimar el límite Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. de transferencia de potencia en líneas de enlace. Ésta es información crítica para la operación exitosa del sistema, ya que el operador sabría de antemano que tan cerca está el sistema de perder la estabilidad. REFERENCIAS 1. P. M. Anderson y A. A. Fouad, Power System Control and Stability, 2a ed. New York: IEEE Press; Wiley-Interscience, 2003. 2. J.W. Pierre, D. J. Trudnowski, y M. K. Donnelly, Initial results in electromechanical mode identification from ambient data, IEEE Transactions on Power Systems, vol. 12, no. 3, pp. 1245–1251, 1997. 3. J. F. 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New York: McGraw-Hill, 1994. 49 �Evaluación de la nitrificación a través de perfiles operacionales en un reactor aerobio Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, Oscar Bravo Bolaños, José Manuel Ortega Aguirre, Antonio Hidalgo Millán Universidad Autónoma de Nayarit (UAN). Área de Ciencias Básicas e Ingenierías. Programa Académico de Ingeniería Química. mangelespinosa@hotmail.com RESUMEN La nitrificación ocurre durante el tratamiento biológico de aguas residuales y depende de las características del agua y de los parámetros de operación en la planta. Este estudio está enfocado en evaluar los perfiles operacionales de OD, T, PH, OUR y alcalinidad en los reactores aerobios de una planta del tipo de lodos activados con el fin de detectar el grado de nitrificación. Los resultados de OD (> 2 mg/L), temperatura de 23.9°C, la caída del PH de 7.5 a 7.1, el alto consumo de oxígeno (50 a 70 mg/L.h) y el consumo de alcalinidad (de 399.0 a 187.5 mg/L), indicaron la ocurrencia de nitrificación. PALABRAS CLAVE Nitrificación, reactor aerobio, lodos activados, perfiles operacionales. ABSTRACT The nitrification occurs during the biological treatment of wastewater and depends on the characteristics of water and of the operation parameters in the plant. This study is focused in evaluating the operational profiles of OD, T, PH, OUR and alkalinity in the aerobic reactors of a plant of the type of activated sludge in order to detect the degree of nitrification. The results of OD (> 2 mg/ L), temperature of 23.9 °C, the fall of the PH from 7.5 to 7.1 , the high oxygen consumption (50 to 70 mg/L. h) and the consumption of alkalinity (from 399.0 to 187.5 mg/L), indicated the occurrence of nitrification. KEYWORDS Nitrification, aerobic reactor, activated sludge, operational parameters. INTRODUCCIÓN La nitrificación es el proceso a través del cual las bacterias nitrificantes transforman el ion amonio en nitrato. Las bacterias autotróficas Nitrosomonas sp., y Nitrobacter sp., son las responsables para esta conversión que se realiza en dos etapas: en la primera de ellas el amoníaco es convertido en nitrito y en la segunda etapa, el ion nitrito es convertido en ion nitrato.1 50 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. En el tratamiento de las aguas residuales urbanas, el crecimiento de los Nitrobacter sp, es siempre más rápido que el de los Nitrosomonas sp, debido a esto: 1) La velocidad de crecimiento de los Nitrosomonas es el factor crítico o limitante, y servirá de base para el dimensionamiento de la nitrificación, y, 2) La concentración en nitritos siempre será muy baja.2 Sin embargo, estas bacterias nitrificantes se caracterizan por su gran sensibilidad a los siguientes factores: a) Alcalinidad y pH En el proceso de nitrificación se destruye alcalinidad por oxidación del amonio. Por cada gramo de amonio oxidado a ion nitrato, la alcalinidad del agua residual es consumida, como CaCO3, a un ritmo de 7.14 g. 2 Como la nitrificación reduce el nivel de HCO3- y aumenta el de H2CO3 el pH disminuye. También durante la nitrificación, la alcalinidad del agua residual se incrementa ligeramente debido al consumo de CO2 de las bacterias autotróficas (el pH se incrementa), pero en una contra reacción, ésta decrece drásticamente debido a la formación de ácido (el pH decrece desde arriba del nivel neutro hasta niveles ácidos). Si la capacidad buffer (amortiguadora) del agua residual es débil, el pH caerá por abajo de 7 dando lugar a una rápida disminución de la tasa de nitrificación. 3 El pH tiene una gran influencia sobre el grado de crecimiento de los Nitrobacter sp y principalmente sobre los Nitrosomonas sp, de tal manera que la tasa máxima de nitrificación en un sistema de lodos activados ocurre a pH entre 7.5 y 8.0, y normalmente para mantener la tasa de nitrificación se debe operar a pH entre 7.0 y 7.2.4 b) Necesidades de oxígeno La demanda estequiométrica de oxígeno en el proceso de nitrificación es de 3.43 gO2/gN-NH4+ convertido a nitritos y 1.14 gO2/gN-NO2- convertido a nitratos, lo que resulta en un total de 4.57 gO2/gN oxidado. 3 Adicionalmente, al conocer que las bacterias autótrofas encargadas de la nitrificación son estrictamente aerobias, se suele considerar que para concentraciones de oxígeno disuelto (OD) entre 3 y 4 mg/L, la tasa máxima de crecimiento de los microorganismos nitrificantes empieza a disminuir, con una reducción significativa debajo de 2 mg/L. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 A concentraciones menores de 0.5 mg/L el efecto de la reducción en la nitrificación es más grande para los Nitrobacter que para los Nitrosomonas. El requerimiento de oxígeno para lograr una nitrificación completa es relativamente alto. Para la gran mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales de tipo doméstico, se incrementaría el requerimiento de oxígeno en un 30 a 40% y por consiguiente, el de energía, en caso de que se requiera nitrificar.4 El proceso de lodos activados es altamente dinámico debido a las variaciones de flujo en el influente, así como en las concentraciones y composiciones, por ello para mantener el efluente en condiciones estándar y con costos mínimos, se deben aplicar estrategias que puedan competir con las características dinámicas del proceso. La respirometría, es una variable que es de interés para el control del proceso de lodos activados y representa la medida e interpretación de la tasa de consumo de oxígeno (OUR) en condiciones experimentales bien definidas.5 c) Temperatura En un sistema de lodos activados, la nitrificación se alcanza cuando la temperatura del proceso es mayor de 15 °C. 2 Se han obtenido tasas máximas de crecimiento de microorganismos nitrificantes (μN) de 0.25 y 0.5 d-1 a temperaturas de 8 y 20 °C respectivamente; en otras pruebas se obtuvieron μN de 1.08 y 1.44 d-1 a 23°C, mientras que a 12 y 21°C se alcanzaron μN de 0.4 y 0.85 d-1 respectivamente. El efecto de la temperatura en la tasa de oxidación del amonio por Nitrosomonas en un sistema de lodos activados también han sido estudiados; de los resultados obtenidos se observó que a medida que aumentaba la temperatura, la tasa de oxidación del amonio también se incrementaba; así por ejemplo, para una temperatura de 15 °C se obtuvo un 20% de oxidación del amonio, a 20 °C un 35%, a 25 °C un 56% y a 28 °C un 100%.6 d) Edad del lodo (SRT) La nitrificación en un sistema de lodos activados no es posible si no se dota al sistema de tratamiento de una edad del lodo suficiente para que las bacterias nitrificantes puedan crecer y oxidar el amonio. Dado que las bacterias encargadas de la nitrificación 51 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. son estrictamente autótrofas, tienen una tasa de crecimiento mucho más lenta que las heterótrofas (encargadas de la degradación de la materia orgánica) y por tanto requieren un SRT mayor al normal. 4 En climas cálidos la nitrificación ocurre con SRT tan cortos como de 3 días, mientras que en climas fríos, la nitrificación ocurre a SRT tan largos como de 20 días. Cuando ocurre el consumo de materia carbonácea y nitrogenada en un mismo tanque, el rango de SRT para que se dé la nitrificación es de 8 a 10 días a temperaturas de 16 °C a 21 °C, pero a temperaturas menores de 16 °C el rango de SRT es de 12 a 20 días. 2 Se asegura una adecuada nitrificación en un sistema de lodos activados manteniendo un SRT de 15 días o más a una temperatura definida. 7 e) Sustancias tóxicas Los organismos nitrificantes son más sensibles a las sustancias tóxicas que los organismos heterótrofos y por tanto es frecuente que se vean afectados ante cualquier tipo de descarga tóxica y por tanto se inhiba el proceso de nitrificación durante largos períodos de tiempo. Las descargas de tipo industrial con metales pesados, son en la mayoría de las veces los responsables de este tipo de problemas.8 En suma, dentro de los procesos de tratamiento de aguas residuales existen tres clases de variables que afectan el funcionamiento de la planta de manera determinante: 2 1) Las características físicas y químicas del agua residual (composición de acuerdo a su procedencia), 2) Las condiciones ambientales del lugar en que se ubica la planta, y 3) Las características hidráulicas del reactor biológico utilizado. Las primeras dos clases de variables son difíciles de controlar, sin embargo la tercera si es controlable, por lo que se convierte en la parte más importante para el control operacional de la planta y representa el objetivo principal de este trabajo de investigación. METODOLOGÍA Para evaluar el proceso de nitrificación en la planta de tratamiento de aguas residuales “Dulces Nombres” ubicada en Monterrey, Nuevo León, se llevó a cabo la caracterización del agua residual, para lo cual se desarrolló una campaña intensiva de muestreo durante 7 días, en los que se tomaron muestras del tipo compuesta-tiempo (en base al gasto) durante 24 horas. Se seleccionaron puntos estratégicos de toma de muestras (figura 1), con el fin de obtener la mayor cantidad de resultados que ayudaran a evaluar el comportamiento de la planta. Fig. 1. Localización de puntos de muestreo (PTAR “Dulces Nombres”). 52 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Como se observa en la figura 1, se tomaron muestras en: influente crudo (influente después del desarenador, punto 3); lodo primario (muestra tomada en cárcamo de bombeo de lodos primarios, punto 5); efluente de la sedimentación primaria (muestra tomada en caja repartidora que alimenta a reactores, punto 6); efluente del reactor 5 (muestra tomada en caja repartidora a clarificador secundario 2, punto 9); efluente del clarificador secundario 2 (muestra tomada en canal de CS2, punto 10); recirculación del reactor 5 (muestra tomada en estación de recirculación de lodos del R5, punto 13); efluente del R1_4 (muestra tomada en caja repartidora a CS1, punto 15); efluente de CS1,3,4,5,6 (muestra tomada en cárcamo de descarga sin cloro, punto 16) y recirculación de R1_4 (muestra tomada en estación de recirculación de lodos, punto 22). Nótese que la línea del R5 es independiente y para el caso de los reactores 1, 2, 3 y 4 se muestreó sólo uno de ellos, ya que los resultados deben ser similares en cualquiera de ellos. Por otra parte, para evaluar de manera específica el comportamiento de los reactores y el proceso de lodos activados (figura 2), se realizaron estudios de perfiles operacionales en una segunda campaña de monitoreo: • Oxígeno disuelto (OD). Se monitoreó con un oxímetro durante la primera campaña de muestreo en cada una de las celdas de los reactores 4 y 5 durante 5 días (dos veces por día, 9:00 y 17:00 horas), y durante 3 días en cada una de las celdas de los 5 reactores. En una segunda campaña se monitoreo el OD durante 12 horas (cada hora durante un solo día) con la finalidad de observar la variación diurna, en cada una de las celdas de los reactores 4 y 5. • Temperatura (T). Durante la primera campaña, se hicieron mediciones con equipo portátil durante 5 días en las 4 celdas de los reactores 4 y 5 y durante 2 días en las 4 celdas de los 5 reactores. En la segunda campaña se midió la temperatura durante 12 horas (cada hora en un solo día) en las 4 celdas de los reactores 4 y 5. • Tasa de consumo de oxígeno (OUR). Para analizar este perfil, se realizaron pruebas de respirometría en las celdas B y D de los reactores 4 y 5. Estas pruebas se desarrollaron a las 9:00 AM y 17:00 PM durante los 7 días de la primera campaña. En la segunda campaña (primer día) se hicieron pruebas en las celdas B de los 4 primeros reactores (9:00 y 17:00 horas), mientras que en el segundo día se realizaron durante 12 horas (cada hora) en celdas B y D de los reactores 4 y 5. Fig. 2. Proceso de lodos activados de la PTAR “Dulces Nombres”. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 53 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Tabla I. Características fisicoquímicas afines al proceso de nitrificación en diferentes puntos de muestreo. Muestra Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado Domingo Lunes 05/02 06/02 07/02 08/02 09/02 10/02 11/02 Punto 3: Influente después del desarenador (en mg/L) N-NH3 (0.45 μm) 34.9 37.2 36.6 36.5 N-NO2 (0.45 μm) 0.3 0.2 0.3 2.3 - Alcalinidad como CaCO3 420 414 420 417 pH 7.36 7.34 7.43 7.43 Punto 6: Efluente de sedimentación primaria (en mg/L) N-NH3 (0.45 μm) 37.2 40.8 38.5 36.03 36.5 41.7 40.2 N-NO2- (0.45 μm) NA NS 0.006 NS 0.009 NS NA N-NO3 (0.45 μm) 0.6 NS 0.2 NS 0.4 NS 2.6 Alcalinidad como CaCO3 404 403 398 393 394 405 396 pH 7.39 7.415 7.45 7.485 7.5 7.505 7.56 N-NH3 (0.45 μm) 1.96 <0.2 1.624 1.736 4.89 2.83 4.34 N-NO2 (0.45 μm) NA 0.02 0.005 0.043 0.054 0.05 0.1 - Punto 9: Efluente de reactor 5 (en mg/L) - N-NO3 (0.45 μm) NA 8.9 11.6 11.6 5.4 13.7 9.2 Alcalinidad como CaCO3 533 387 460 480 516 468 433 pH 7.17 7.06 7.18 NA NA 7.19 7.14 N-NH3 (0.45 μm) 10.02 2.83 3.16 4.2 1.092 1.316 3.22 N-NO2 (0.45 μm) NA 0.025 0.004 0.084 0.7 0.052 0.105 - Punto 15: Efluente de reactor 1_4 (en mg/L) - N-NO3 (0.45 μm) NA 5.9 5.2 7.7 4.7 11.4 8.3 Alcalinidad como CaCO3 533 485 483 482 585 489 450 pH 7.11 7.03 7.1 NA NA 7.19 7.16 0.5 5.5 1.95 0.1 4 3.3 1.75 3.05 - Punto 13: RASR5: Recirculación R5 (en g/m ) 3 N-NO3- (0.45 μm) NA 0.7 3.4 2.7 Punto 22: RASR1_4: Recirculación R1_4 (en mg/L) N-NO3 (0.45 μm) NA - 0.6 0.6 NA Punto 10: Efluente de Clarificador Secundario 2 (en g/m3) N-NH3 (0.45 μm) 0.252 N-NO2 (0.45 μm) 0.19 NS N-NO3- (0.45 μm) 3.5 8.2 Alcalinidad como CaCO3 7.52 7.42 7.58 - 0.504 0.327 0.392 4.62 0.25 NS 0.37 NS 0.274 14.5 12.9 5 9.6 12.1 NA 7.63 7.6 7.6 <0.2 1.624 pH Punto 16: Efluente de Clarificadores Secundarios 1,3,4,5,6 (en mg/L) N-NH3 (0.45 μm) 8.91 2.3 1.073 3.08 N-NO2 (0.45 μm) 0.27 NS 0.22 NS 0.2 NS 0.19 N-NO3- (0.45 μm) 1.4 8 8.2 12 7.2 7.4 11.5 Alcalinidad como CaCO3 244 195 195 207 215 174 182 pH 7.57 7.475 7.6 NA 7.72 7.67 7.63 - 3.22 N.S: No solicitado; N.A: No analizado 54 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Tabla II. Resultados promedio de la primer campaña de muestreo. CONCENTRACIONES PROMEDIO PARÁMETROS (mg/L) N-NH3 (0.45 μm) 3 36.3 N-NO2- (0.45 μm) 6 9 15 13 22 10 16 38.7 2.9 3.7 1.6 3.4 0.008 0.05 0.2 0.3 0.2 9.4 8.0 N-NO3 (0.45 μm) 0.78 0.95 10.1 7.2 Alcalinidad (como CaCO3) 417.8 399 468.1 503.9 173.3 201.7 7.4 7.5 7.15 7.1 7.6 7.6 - pH 2.5 1.72 • PH y alcalinidad. Estos parámetros se midieron en diferentes puntos de la planta de tratamiento incluyendo influente y efluente de reactores dentro de la primera campaña de muestreo. RESULTADOS En la tabla I, se muestran los resultados obtenidos durante la caracterización intensiva de 7 días afines al proceso de nitrificación del sistema de lodos activados de la PTAR “Dulces Nombres”, y en la tabla II, se presentan los resultados promedio de dicha caracterización. Con respecto a la tabla II, se observa que el pH presenta variaciones significativas a través del sistema de lodos activados, mientras que la alcalinidad decrece alrededor del 45% desde el influente crudo (punto 3) hasta el efluente en clarificadores secundarios (puntos 10 y 16), lo cual es un indicativo del consumo de ésta durante el proceso de nitrificación. Este proceso de nitrificación se da principalmente en los reactores lo cual se muestra y se explica a través de la figura 3 y figura 4. En el caso del R5 (figura 3), existe un proceso de oxidación del N-NH3 a N-NO3- ya que la concentración del N-NH3 se reduce de 38.7 mg/L a 2.9 mg/L, mientras que los N-NO3- aumentan de 0.95 a 10.1 mg/L. Esto mismo ocurre en la línea R1-4 (figura 4), el N-NH3 se reduce de 38.7 mg/L a 3.7 mg/L, y la concentración de NNO3- aumentan de 0.95 a 7.2 mg/L. Fig. 3. Proceso de nitrificación y desnitrificación en la línea del R5. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 4. Proceso de nitrificación y desnitrificación en la línea del R1-4. Además de la nitrificación, también en los reactores se presentó una desnitrificación simultánea parcial ya que es conocido que en el núcleo de los flocs existen zonas anóxicas.9,10 De acuerdo a las figuras 3 y 4, esto se pone en evidencia por un simple balance de nitrógeno (N). Considerando el caso del R5 (figura 3), si entran 38.7 mg/L de N-NH3 y salen sólo 2.9 mg/L de N-NH3, el resto (35.8 mg/L) debería estar en forma de N-NO3- (si sólo existiera nitrificación) de los cuales solo hay 10.1 mg/L; la única manera de explicar esta diferencia, es que se emite como N2 (gas) en una desnitrificación. Desarrollando el balance para la línea del R1-4 (figura 4) sucede lo mismo; entran 38.7 mg/L (N-NH3) y salen 3.7 mg/L de N-NH3 y 7.2 mg/L como N-NO3-, el resto (35 mg/L) se escapa como N2 (gas). Este mismo caso de desnitrificación también ocurre en los clarificadores secundarios (condiciones anóxicas) y para ello se describe solo el caso de la línea del R5 (figura 3), aunque esto se puede observar en la línea del R1-4 (figura 4). Se supone que la concentración de N-NO3- en el efluente del clarificador (9.4 mg/L) debe ser igual que la del RAS (2.5 mg/L) ya que son resultados de muestras solubles, sin embargo y debido a la desnitrificación en la cama de lodo, cierta cantidad de N2 (gas) se escapa disminuyendo por tanto la concentración de N-NO3- en el lodo (RAS). 55 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Por otra parte, si se observa en las figuras 3 y 4, la alcalinidad se incrementa desde el influente hasta el efluente de los reactores producto del consumo de CO2, mientras que el pH disminuye debido a la formación de ácido, más no por abajo de 7, que es el pH de referencia en donde la tasa de nitrificación empieza a decrecer significativamente. Los valores de pH se mantienen en un valor de 7.15 para R5 y 7.1 en R1,4, esto debido a la capacidad buffer (amortiguadora) de la alcalinidad en el sistema, manteniéndose con ello la nitrificación. Por el contrario, durante la desnitrificación en los sedimentadores secundarios, la alcalinidad disminuye desde el influente hasta el efluente de los clarificadores y por tanto el pH se recupera en ambas líneas (7.6) casi al valor inicial del influente a reactores (7.5). También, para que se llevara a cabo la nitrificación en los reactores, tuvo mucho que ver la temperatura y el oxígeno disuelto (OD). En la tabla III, se presentan los resultados del perfil de temperaturas medidos durante 5 días en las 4 celdas de los reactores 4 y 5. Nótese que la temperatura se mantuvo con variaciones desde 0.5 a 2 °C en las celdas del R4, no así en el R5 donde la variación fue de alrededor de 0.5 °C. En la figura 5, se presenta la variación diurna monitoreada durante la segunda campaña en la que se muestra que las temperaturas fueron relativamente uniformes (± 1°C) en los reactores y celdas. De acuerdo a los resultados obtenidos durante las dos campañas, la temperatura promedio para cada uno de los reactores fue de 23.9°C. Según la bibliografía2, la nitrificación se alcanza a temperaturas mayores de 15°C. Para el caso del OD, durante la primera campaña se mostró el mismo comportamiento en la concentración de OD en todos los reactores, tanto a las 9:00 horas como a las 17:00 horas, las mañanas eran menos cargadas (9:00 horas) por lo que se registraban concentraciones más altas de oxígeno comparado con las 17:00 horas, tal como se muestra en la tabla IV. Durante la segunda campaña, la variación diurna del OD a través de las celdas de los reactores, se comportó según se observa en la figura 6. Tomando en consideración la evolución presentada en la figura 6, donde por la mañana se observa una alta concentración de OD y por la tarde disminuye, fue viable y representativo determinar a través de un promedio la concentración en cada celda de los reactores. Los resultados de la concentración de OD se mantuvieron por arriba de 2 mg/L en las celdas B, C y D (efluente) de los reactores. Debajo de esta Tabla III. Perfil de T (°C) promedio en reactores R4 y R5 durante 5 días. Celdas de R4 (°C) 1a Campaña Hora A Celdas de R5 (°C) B C D A B C D Promedio 9:00 AM 23.1 23.3 22.9 22.7 23.6 23.7 23.8 23.9 Promedio 17:00 PM 23.9 23.6 24.2 24.9 23.9 23.9 24.0 24.2 23.5 23.4 23.6 23.8 23.7 23.8 23.9 24.0 Promedio general Fig. 5. Variación diurna de la temperatura en R4 y R5. 56 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Tabla IV. Concentraciones de OD (mg/L) promedio en reactores R4 y R5 durante 5 días. 1a Campaña Celdas de R4 Celdas de R5 Hora A B C D A B C D Promedio 9:00 AM 2.6 3.7 5.7 5.0 1.9 3.8 4.3 6.4 Promedio 17:00 PM 1.1 0.8 0.9 0.9 1.2 0.7 0.9 3.5 1.8 2.3 3.3 3.0 1.6 2.2 2.6 5.0 Promedio Total (5 días) Fig. 6. Variación diurna de la concentración de OD en R4 y R5. concentración de 2 mg/L, según la bibliografía3, 4 la tasa máxima de crecimiento de los microorganismos nitrificantes empieza a disminuir significativamente. Aún y cuando la concentración de OD en las celdas A de los reactores estuvo por debajo de los 2 mg/L, se mantuvo la nitrificación en el sistema. Con respecto a la tasa de consumo de oxígeno (OUR), en la figura 7 se presenta el comportamiento respirométrico durante la primera campaña de monitoreo. En el perfil de las 9:00 AM, se observan valores en general relativamente bajos de la tasa de utilización de oxígeno (15 a 30 mg/L•h), ya que a esta hora la carga de la planta (gasto del influente) está en su nivel mínimo. En la celda D del reactor 5 la tasa de consumo es relativamente constante y baja a las 9:00 AM, lo cual significa un efluente de calidad constante durante la mañana para abastecer de agua tratada a la industria. Sin embargo en la tarde (17:00 PM) los niveles de OUR en la celda D del R5 siguen bajos 5 días de 7, pero en 2 días se muestran altos (60 mg/L•h) lo que implica que la calidad del agua en estos momentos no es buena (mayor concentración de nitrógeno amoniacal probablemente). Por otra parte el OUR de la celda D del R4 alcanzó valores altos en la mayor parte de los días (50 a 70 mg/L•h) a las 17:00 horas, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 lo que indica que la calidad del agua se deteriora más frecuentemente en este reactor por las tardes. Esto se puede entender debido a que a esta hora se observaron las horas pico en el gasto del influente. En cuanto a las celdas B en las tardes (17:00 PM), el OUR es casi siempre alto (>60 mg/L•h) debido a que en los periodos de caudal alto, la concentración de sustrato también se mantiene alta en esta celda. Para analizar de forma más global el comportamiento descrito anteriormente, en la figura 8 se observa la evolución de la OUR promedio de los 6 días en ambos reactores; el hecho de que decrece la tasa de consumo de oxígeno de la celda B a la D, se explica porque disminuye la DQO soluble (SS) a medida que el agua se acerca a la salida del reactor. La correlación entre el aumento de caudal y el incremento de la OUR durante el transcurso del día se observó durante el monitoreo diurno en la segunda campaña (figura 9), donde la tasa de consumo de oxígeno en las celdas B del reactor 4 y 5, aumenta OD (mg/L)) Reactor Celda A Celda B Celda C Celda D R4 1.8 2.4 3.9 3.3 R5 1.5 2.1 2.5 4.8 57 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Fig. 7. Comportamiento de OUR en R4 y R5. Fig. 8. Evolución de OUR promedio en R4 y R5 (primera campaña). conforme va pasando el tiempo. En la celda D del reactor 4 se presenta un comportamiento diferente con respecto a la celda D del reactor 5 a partir de las 16:00 horas como si hubiera en la salida del reactor 4 repentinamente carga orgánica o bien nitrificación; lo normal sería que se comportara como en el efluente (D) del reactor 5, el cual se mantuvo con una tasa de consumo relativamente baja de alrededor de 20 mg/L•h. La súbita alza de la OUR en (D) del R4 es una vez más una señal de degradación de la calidad del agua tratada en la tarde debido a las sobrecargas de caudal. CONCLUSIONES Desde la obtención de los resultados de laboratorio, se detectó que en los reactores se presentaba una nitrificación y desnitrificación simultánea, aún y cuando no están diseñados con zonas anóxicas adecuadas para este último propósito. Sin embargo, el proceso de nitrificación-desnitrificación en el 58 Fig. 9. Variación diurna de OUR en R4 y R5. sistema de lodos activados de la PTAR “Dulces Nombres” no se hubiera podido dar, si el agua altamente mineralizada en el influente a la planta no hubiera tenido suficiente alcalinidad (417.8 mg/L), ya que de lo contrario hubiera habido un descontrol en el proceso de biodegradación por efecto del pH en los reactores, y por tanto no se mantendría o se inhibiría la nitrificación. Otros factores que influyeron para que se diera la nitrificación en los reactores, fueron la temperatura y el oxígeno disuelto, además de la edad de lodos (SRT), el cual fue de 14.8 días en la línea del R5 y de 14.1 en los R1-4 (obtenido por simulación) a una temperatura de 23.9°C. Ahora bien, en materia de impacto ambiental, si el objetivo que se pretende es limitar la demanda de oxígeno y la toxicidad asociada al amoníaco, se necesita una nitrificación vigorosa, por el contrario, para erradicar los potenciales de eutrofización en cuerpos de agua receptores (ríos, lagos, lagunas, arroyos) donde el flujo no es turbulento, se requiere llevar el tratamiento hasta la desnitrificación. En Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. este sentido el llevar el proceso hasta la nitrificación y desnitrificación, depende de las características fisicoquímicas del agua residual que llega a la planta, de los parámetros de operación (T, OD, OUR, SRT), del objetivo de cada PTAR (reuso del agua tratada), y de las regulaciones ambientales (límites máximos permisibles para descarga del agua tratada en cuerpos de agua). REFERENCIAS 1. Burrell P., Keller J. and Blackall L. (1999). Characterisation of the bacterial consortium involved in nitrite oxidation in activated sludge. Water Science and Technology 39(1), 45-52. 2. Water Environment Federation (1996). Operation of municipal wastewater treatment plants. Manual of practice, No. 11, (MOP-11); Fifth Edition, 1358 pp. 3. Jördening H. J. and Winter J. (2005). Environmental biotechnology. Concepts and aplications. Ed. Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim, 463 pp. 4. Environmental Protection Agency (2009). Nutrient control design manual. State of Technology Review Report. EPA/600/R-09/012, 104 pp. 5. Espinosa, M. A., Flores, N., Esparza, M. y Fall, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 C. (2012). Efecto de la temperatura en la tasa de crecimiento y decaimiento heterotrófico en el rango de 20-32°C en un proceso de lodos activados. Revista Mexicana de Ingeniería Química 11(2), 309-321. 6. Environmental Protection Agency (1975). Process design manual for nitrogen control. Office of Technology Transfer. EPA/630902, 102 pp. 7. Merton L. A. (2004). What SRT and MCRT mean to treatment plant design and operation. Water Environment and Technology 16(6), 65-66. 8. Grüttner H., Winther-Nielsen M., JArgergensen, L., BAgebjerg P. and Sinkjaer O. (1994). Inhibition of the nitrification process in municipal WWTP by industrial discharge. Water Science and Technology 29, 69-77. 9. Klangduen P. and Keller, J. (1999). Study of factors affecting simultaneous nitrification and denitrification (SND). Water Science and Technology 39, 61-68. 10. Naidoo K., Ndlovu V., Mjadu J., Goatley K.T. y Kerdachi D.A. (2002). The exceptional simultaneous removal of carbon, nitrogen and phosphorus in a simple activated sludge treatment system at Kinsburgh wastewater treatment works. Water SA Special Edition, 67-72. 59 �Eventos y reconocimientos I. MUJERES EN LA CIENCIA El pasado 11 de octubre tuvo lugar la inauguración del Programa “Mujeres en la Ciencia: Descubriendo la Investigación, la Innovación y el Desarrollo Tecnológico”, en el cual se mostró la amplitud de las posibilidades de vida y carrera para las jóvenes, a través de un espacio de interacción con investigadoras de diferentes centros de investigación. Entre las participantes se encontraban la Dra. Julia Verde Star y Dra. Leticia M. Torres Guerra investigadoras de la UANL reconocidas a nivel nacional e internacional por sus aportaciones en ciencia y tecnología. Regional Noreste del CONACYT; la Dra. Martha Leal González, Directora de Planeación, Posgrado, Divulgación y Cooperación Internacional del Instituto de Innovación y Transferencia de Tecnología de Nuevo León; y el Lic. Alejandro Galván Martínez, Director de Educación Media Superior. Participantes del Programa “Mujeres en la Ciencia: Descubriendo la Investigación y el Desarrollo Tecnológico”. Reconocimientos CACEI e Las autoridades presentes durante la inauguración fueron: el Dr. Juan Manuel Alcocer González, Secretario Académico de la UANL, en representación del Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; el Dr. Mario César Salinas Carmona, Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado de la UANL; el MC Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, la Lic. María Eugenia Vargas Pascal, Subdirectora de Desarrollo Regional Norte en la Delegación 60 II. 66 ANIVERSARIO DE LA FIME Durante la semana del 19 al 27 de octubre de 2013, se llevó a cabo la “Semana Cultural FIME 2013” que incluyó diversos eventos académicos, culturales y deportivos, para celebrar el 66 aniversario de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Entre los eventos se encuentra el Almuerzo de la Fraternidad con el que inician los festejos, el XX Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología, el Coloquio de Investigación Conjunta FIME-Industria, el segundo concurso “Pelea de Robots”, la Expo Laboral Industrial, la Expo “Un día para leer ... y los demás también”, por citar algunos. ISO 9901:2008 El pasado 21 de octubre, en una ceremonia presidida por el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; la Ing. María Elena Barrera Murillo, Directora General del Consejo de Acreditación de Enseñanza de la Ingeniería (CACEI); y el Dr. Leonardo Cárdenas Costas, Director General de México, Centroamérica y el Caribe de TÜV Sudamérica de México, se entregó a la FIME el certificado por parte del CACEI en el que se acreditan 7 programas de licenciatura (IME, IMA, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Eventos y reconocimientos IMT, IAS, IEC, IEA y IMF) de la FIME. En este mismo acto, el MC. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, recibió el certificado ISO 9901:2008 por parte de la empresa TÜV Sudamérica de México por mantener una gestión con estándares de calidad internacional. Los jefes de las diferentes carreras mostrando los certificados correspondientes del CACEI. De izquierda a derecha: MC. Alejandro Aguilar Meraz; Director de Administración de la Calidad de la UANL; MA. Emilia Edith Vásquez Farías, Directora de Estudios de Licenciatura de la UANL; Ing. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL; Ing. María Elena Barrera Murillo, Directora del CACEI; Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; MC. Martha Elia Garcia Rebolloso, Coordinadora del Centro de Calidad de la FIME; MC. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME; Dr. Leonardo Cárdenas Costas, TÜV Sudamérica de México; y Dr. Arturo Torres Bugdud, Subdirector de Desarrollo Institucional y Humano de la FIME. Competencia de Enfriamiento Evaporativo El pasado 23 de octubre se llevó a cabo una competencia que consistió en el diseño de un sistema de enfriamiento evaporativo más simple que proporcionara aire con la mínima temperatura y humedad posibles. Participaron 78 estudiantes de la FIME distribuidos en 26 equipos, quienes diseñaron y fabricaron sus dispositivos para la competencia. El primer lugar lo obtuvieron: Paola Cavazos Zertuche, Marco A. Torres Martínez, y Jorge L. Velázquez Rosales; el Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 segundo fue para: Carlos E. Muñoz Bernal, Luis E. Omaña Tijerina, y Karla M. Tamez Lucio; y el tercer lugar fue para: Jesús I. Morales Barboza y Emma A. Contreras Reyna. Los ganadores del primer lugar: Marco A. Torres Martínez, Paola Cavazos Zertuche y Jorge L. Velázquez Rosales, junto con la MC Yumei Mata Hi (segunda desde la izquierda), quien es profesora de la FIME y Consejera de la Rama Estudiantil UANL de ASHRAE. Concurso de Creatividad El pasado 24 de octubre se efectuó el decimocuarto concurso de creatividad, organizado por el Departamento de Ingeniería Hidráulica, en el que los concursantes, estudiantes de la FIME, utilizaron sus conocimientos y habilidades para diseñar y construir prototipos que lograran recorrer la mayor distancia empujando una carga. El equipo ganador está formado por: Adriana Méndez Guzmán, Ángel Miguel Gómez Ortega y Oscar Gómez Ortega. Un momento del concurso de creatividad. Coloquio de Investigación Conjunta FIMEIndustria El pasado 25 de octubre se llevó a cabo el Coloquio Investigación Conjunta FIME-Industria. Correspondió al Dr. Rafael Colás Ortiz, Coordinador del CIDET FIME-UANL, moderar la mesa en la que participaron: Frisa Forjados S.A. de C.V. a través 61 �Eventos y reconocimientos del Dr. Alejandro Vladimir Lara Mendoza, Ternium México S.A. de C.V. con el Dr. Omar García Rincón, Cuprum S.A. de C.V. con su director de Investigación y Desarrollo, MC. Francisco Manrique Montalvo Puente, Whirlpool S.A. de C.V. con el MC. Eduardo Domínguez Gómez, y de la propia FIME-UANL con la Coordinadora del Programa de Maestría y Doctorado en Ingeniería de Materiales, Dra. Martha Patricia Guerrero Mata. Los participantes explicaron cómo se lleva a cabo la investigación en sus centros de trabajo en vinculación con la FIME-UANL. Se concluyó con una discusión sobre los estudios de posgrado, las estancias en el extranjero, y la experiencia y la preparación universitaria. Gerardo Quintero Flores, profesor-investigador de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), y miembro de la Honorable Junta de Gobierno de la UANL, en “Investigación Científica”, Paola Michelle Longoria López, estudiante de la FIME, en “Juventud y Deporte”, Diego Alonso Roque Montoya, estudiante de la Facultad de Físico Matemáticas de la UANL, en “Juventud y Conocimiento”, y la Sra. Liliana Melo de Sada, miembro del Consejo para la Adquisición y Conservación del Patrimonio Cultural de la UANL, en “Promoción Cultural”. Otros galardonados son: la Profesora Blanca Lea García Murillo en “Labor Magisterial”, los futbolistas Hiram Ricardo Mier Alanís e Israel Sabid Jiménez Náñez, en “Juventud y Deporte”, el Lic. Joaquín Humberto Garza Salas en “Docencia Universitaria”, el General Noé Sandoval Alcázar en “Solidaridad Social”, el Ing. Sergio Gerardo García Kabande en “Reto a la Adversidad”, y el Ing. Sergio Gutiérrez Muguerza en “Labor Empresarial con Responsabilidad Social”. Expositores del Coloquio de Investigación Conjunta FIMEIndustria. III. PRESEA ESTADO DE NUEVO LEÓN El pasado 21 de noviembre el Gobernador del Estado de Nuevo León, Lic. Rodrigo Medina de la Cruz, entregó la Medalla al Mérito Cívico “Presea Estado de Nuevo León” edición 2012 a un grupo de ciudadanos ejemplares. Entre ellos están el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL, en la categoría de “Educación Superior”, el Dr. Raúl 62 De izquierda a derecha, Diego Alonso Roque Montoya, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Paola Michelle Longoria López, y el Dr. Raul Gerardo Quintero Flores. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Septiembre - Diciembre 2013 Diana Garza Rocha, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 2 de septiembre de 2013. José Antonio Juárez, Covarrubias, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 3 de septiembre de 2013. Omar Dávila Saucedo, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, (Por materias), 4 de septiembre de 2013. Héctor Perfecto Molina Reyna, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 5 de septiembre de 2013. Ricardo Jonas Galván Gallardo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 5 de septiembre de 2013. Myrna Melissa Ramos García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 11 de septiembre de 2013. Luis Gilberto Tristán Garza, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), de 12 septiembre de 2013. Eduardo Moreno Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 20 de septiembre de 2013. Álvaro Armando Domínguez Sánchez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 Control Automático, “Estudio de la Controlabilidad de Sistemas lineales invariables en el tiempo”, 20 de septiembre de 2013. Juan Carlos Márquez Leal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 23 de septiembre de 2013. Francisco Saucedo Espinosa, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 23 de septiembre de 2013. Baltazar Rojas Serrato, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 25 de septiembre de 2013. Gricelda Yahibe Rodríguez Dávalos, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 26 de septiembre de 2013. Ofelia Patricia Carrera Reyes, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, (Por materias), 27 de septiembre de 2013. Daniel Reséndiz Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 27 de septiembre de 2013. Erika Pamela Cárdenas Cisneros, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 27 de septiembre de 2013. Víctor Hugo Aquino Hernández, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, (Por materias), 27 de septiembre de 2013. 63 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL José Antonio Islas Mascareñas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de aleación de aluminio reforzada con materiales compuestos para la reducción de peso en la industria automotriz”, 14 de octubre de 2013. Daniel Alejandro Olguín Ramírez, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 28 de octubre de 2013. Rosenda Nelida Esparza García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 30 de octubre de 2013. Luis Alberto Martínez Cantú, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 31 de octubre de 2013. Luis Andrés Flores González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 31 de octubre de 2013. Nancy Olivia Zamarripa Ocampo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis, (Por materias), 31 de octubre de 2013. Heber Alvan Ortiz Salinas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 4 de noviembre de 2013. Jesús Antonio Romero Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 7 de noviembre de 2013. Nuvia Cristina Moreno Sánchez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 7 de noviembre de 2013. Ariana Lisseth Alvarado Gutiérrez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Análisis microestructural y de propiedades mecánicas a temperaturas elevadas de aceros avanzados de alta resistencia para el conformado en caliente”, 8 de noviembre de 2013. Luis Lauro González Estrada, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Redes neuronales embebidas con aprendizaje en línea”, 11 de noviembre de 2013. 64 Victoria Campos Tapia, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Preparación y caracterización de grafeno modificado con nanopartículas metálicas y bimetálicas”, 21 de noviembre de 2013. Leopoldo III de la Garza Bernal, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 22 de noviembre de 2013. Milton Flores Guerrero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 22 de noviembre de 2013. Canek Chapa Zapata, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 25 de noviembre de 2013. Rafael Alfredo Cavázos Martínez, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Inteligencia Artificial, (Por materias), 26 de noviembre de 2013. Esma Sarahí González Álvarez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 29 de noviembre de 2013. Emigdio Ríos Baltazar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 29 de noviembre de 2013. Claudia Nayeli Ramón Reyna, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Degradación a altas temperaturas de un acero inoxidable AISI 321 en hornos industriales”, 29 de noviembre de 2013. Carlos Eduardo Villarreal Vázquez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la sustitución de material feldespático y silicoso por “chamota” en una matriz porcelánica triaxial”, 29 de noviembre de 2013. Jésus Alejandro Arizpe Zapata, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Difracción de electrones con iluminación Quasiparalela en modo STEM”, 29 de noviembre de 2013. Paloma Berenice Jiménez Bara, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Preparación de materiales compuestos Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL poliméricos de politereftalato de etilenglicol con óxido de grafeno reducido”, 2 de diciembre de 2013. Rubén Hernández Alemán, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Control descentralizado de formación y seguimiento coordinado de robots móviles tipo uniciclo”, 2 de diciembre de 2013. Alan Jiresse Celis Llanes, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 2 de diciembre de 2013. Alma Judith Vidal Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), de 2 diciembre de 2013. Laura Patricia Hernandez Casillas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la obtención de nanopartículas de PBS bajo distintas condiciones de síntesis”, 2 de diciembre de 2013. Rubén Hernández Alemán, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Control descentralizado de formación y seguimiento coordinado de robots móviles tipo uniciclo”, 2 de Diciembre de 2013. Alan Jiresse Celis Llanes, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 2 de diciembre de 2013. Alma Judith Vidal Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), de 2 diciembre de 2013. Oscar Aguilar Dorbecker, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio del efecto de esfuerzos residuales en el fenómeno de recuperación elástica, por método hole-drilling”, 5 de diciembre de 2013. Emmanuel Francisco Herrera Esquivel, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 6 de diciembre de 2013. David Eugenio Garza Gómez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 6 de diciembre de 2013. Douglas Iván Quiñones Salinas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Incremento de la productividad a través de la optimización del proceso de maquinado y Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 control de microestructura de una pieza de trabajo”, 6 de diciembre de 2013. William Christian Vásquez Fuentes, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 9 de diciembre de 2013. Luis Jairo Fuentes Mejía, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 9 de diciembre de 2013. Israel García Madrigal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 11 de diciembre de 2013. Ángel Oswaldo Salas Garza, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 11 de diciembre de 2013. Manuel Sergio Caballero Hernández, Maestría en Ingeniería, con orientación en Mecánica, (Por materias), 16 de diciembre de 2013. Violeta Reyes Jaimes, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 18 de diciembre de 2013. Daniel Enrique Rivas Cisneros, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica, con orientación en Control Automático, (Por materias), 18 de diciembre de 2013. Alfredo López Vázquez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, “Estrategia de gestión académico-administrativa en función del docente universitario”, 19 de diciembre de 2013. Omar Alexis Figueroa Armendáriz, Maestría en Ciencias en Ciencias de Ingeniería de Sistemas en, “Pronostico de la demanda de efectivo en una institución financiera en México”, 19 de diciembre de 2013. Miguel Ángel Flores Guerrero, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica, con orientación en Control Automático, “Control para sistemas LPV basado en la parametrización de controladores estabilizantes”, 20 de diciembre de 2013. Rolando Aguilera Hernández, Maestría y Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de diciembre de 2013. 65 �Acuse de recibo JOURNAL OF THE MEXICAN CHEMICAL SOCIETY GEOFÍSICA INTERNACIONAL El Journal of the Mexican Chemical Society (J. Mex. Chem. Soc.), anteriormente Revista de la Sociedad Química de México (Rev. Soc. Quím. Méx.), desde 1957 está dedicada a facilitar el avance del entendimiento de la química. Publica contribuciones originales de investigación en todas las áreas teóricas y prácticas de la química en el contexto más amplio, así como revisiones críticas de autores que han realizado contribuciones científicas significativas. La revista se publica trimestralmente, en inglés, en forma impresa (ISSN 1870-249X) y está disponible en línea (ISSN 16859686) en http://www.jmcs.org.mx/. El tercer número de 2013 (Vol. 53) de esta revista está dedicado al área de química bionorgánica, y llama la atención un artículo sobre la relación sangre a plasma, y otro sobre compuestos de metales de transición que se unen al ADN. Geofísica Internacional es una revista que se publica, en inglés, trimestralmente (ISSN 0016- 7169) por el Instituto de Geofísica de la Universidad Nacional Autónoma de México. En el último ejemplar (Vol 53, número 1) se presenta un artículo sobre un terremoto que ocurrió en la cuenca oceánica Salsipuedes en el Golfo de California, y otro sobre la sedimentación reciente en la Presa Cerro Prieto en el Noreste de México. Este artículo tiene la participación de investigadores de la UANL. También presenta artículos con resultados de investigaciones geológicas realizados en otras partes del mundo. La revista se puede consultar en http:// www.geofisica.unam.mx/unid_apoyo/editorial/ publicaciones/investigacion/geofisica_internacional/ index.html , en donde también se puede encontrar más información. JMCS Juan Antonio Aguilar Garib 66 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Colaboradores Acevedo Campos, Javier Sebastián Licenciado en Química Industrial por la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. ctualmente es ingeniero de producción en PYOSA. Aguirre Espinosa, José Estudiante de 6º semestre de la Licenciatura en Química Industrial en la UANL. Andrade Soto, Manuel Antonio Recibió el grado de Ingeniero Eléctrico del Instituto Tecnológico de Saltillo, Saltillo, México, en 2000, y los grados de maestría y doctorado en ciencias, ambos enIngeniería Eléctrica, del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), Guadalajara, México, en 2002 y 2007, respectivamente. En 2007, se incorporó a la Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México, donde actualmente es profesor asociado al programa de posgrado en Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Bravo Bolaños, Oscar Licenciado en Biología egresado de la UNAM en 1992. M. en C. en Geografía egresado de la UNAM en el año 2008. Actualmente cursa el Programa de Doctorado en Biodiversidad y Conservación en la UAEH. Imparte cátedra en el programa académico de Ingeniería Química del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la UAN desde el año de 1997, y participa en proyectos de importancia científica sobre contaminación del medio ambiente con enfoque en biodiversidad y conservación para el estado de Nayarit. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 Espinosa Rodríguez, Miguel Ángel Ingeniero Químico Industrial egresado de la UAN en 1987. M. en C. en Ingeniería Ambiental egresado de la UANL en 1997. Dr. en Ingeniería egresado del Centro Interamericano de Recursos del Agua (CIRA) dependiente de la Facultad de Ingeniería de la UAEM en 2010. Imparte cátedra en el programa de Ingeniería Química del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la UAN desde el año 2000, y participa en proyectos de importancia científica sobre contaminación del agua para el estado de Nayarit. Franco Urquiza, Edgar Adrián Ingeniero Aeronáutico egresado del Instituto Politécnico Nacional (IPN) y Doctor en Ciencia de Materiales por la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), donde actualmente es profesor asociado al departamento de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal•lúrgica. Garza Méndez, Francisco Javier Ingeniero Mecánico Metalúrgico por la FIMEUANL. Maestría en Ingeniería Cerámica por la FCQ-UANL. Doctor en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Profesor investigador FCQ. SNI candidato González-González, Virgilio A. Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la FCQ-UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Ha sido investigador en el campo de polímeros desde 1975. Es miembro del SNI nivel II. Es investigador de tiempo completo de UANL desde 1998. 67 �Colaboradores Guardia Ramírez, Eduardo Manuel Obtuvo el grado de Ingeniero Eléctrico en 2003 por la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima, Perú, y el grado de maestro en ciencias en ingeniería eléctrica por la Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México, en 2010. Se ha desempeñado como profesor de prácticas en la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima, Perú. .Actualmente trabaja en el Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional de Perú, Lima, Perú, en el área de planificación de la transmisión. Hernández Torres, Edith Margarita Ingeniero Mecánico Administrador (2008) con Maestría en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2012) por la FIME-UANL. Actualmente es estudiante de Doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Hidalgo Millán, Antonio Ingeniero Químico (2001), M. en C. en Ingeniería Química (2003) y Doctor en Ingeniería Química (2010) por la UNAM. Imparte cátedra en el programa de Ingeniería Química del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la UAN desde el año 2012 y participa en proyectos de importancia científica sobre reología con énfasis en contaminación del agua. Martínez Alonso, Gabriel Fernando Maestría en Ciencias Físico Matemáticas de la Universidad Estatal de Moscú “M. V. Lomonosov”, Rusia, con especialidad en Física Nuclear de bajas energías. Especialidad en Educación Superior, de la Universidad de Camagüey, Cuba. Profesor Investigador de la Coordinación de Ciencias Básicas y Jefe de Investigación Educativa de la FIME. Líneas de Investigación principales: enseñanza de la Física, currículos basados en competencias y aprendizaje activo. Cuenta con el Perfil deseable para profesores de tiempo Completo (PROMEP). Miembro de la Red de Investigadores Educativos RIE de la UANL. Responsable del proyecto de investigación “Desarrollo y evaluación de competencias profesionales específicas”, del nodo 1 de la REI UANL. 68 Maspoch Rulduà, Maria Lluïsa Doctora en Ciencias Químicas por la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). Catedrática de la UPC y Directora del Centre Català del Plàstic (CCP) en Terrassa, España. Ortega Aguirre, José Manuel Ingeniero Químico Industrial egresado de la UAN en 1996. Maestro en Ciencias en Química por la UDG (2008). Imparte cátedra en el programa académico de Ingeniería Química del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la UAN desde 1986. Rodríguez González, Francisco Javier Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Coahuila (1989) con Maestría en Tecnología de Polímeros por la Universidad Autónoma de Coahuila (1994). Doctor en Ingeniería Química por L´Ecole Polytechnique de Montréal, Montreal, Canadá (2002). Actualmente es Investigador Titular del Centro de Investigación en Química Aplicada. Es miembro del SNI Nivel I. Sánchez-Cervantes, Eduardo Maximino Licenciado en Ciencias Químicas por el ITESM. Doctorado en Química del Estado Sólido por la Arizona State University. Profesor investigador de la FCQ. SNI nivel 2. Vázquez Martínez, Ernesto Recibió el grado de Doctor en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por la UANL, México, en 1994. Desde 1996, ha trabajado como profesor investigador en ingeniería eléctrica en la UANL. En 2000 y 2011, hizo estancias de investigación en la Universidad de Manitoba y la Universidad de Alberta, respectivamente. Sus principales intereses de investigación son la protección de sistemas de eléctricos de potencia y técnicas de inteligencia artificial aplicadas a los sistemas de potencia. Vázquez Rodríguez, Sofía Ingeniero Químico por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (1998). Doctor en Polímeros por el Centro de Investigación en Química Aplicada (2004). Actualmente es Profesor-Investigador de la FIME-UANL. Es miembro del SNI Nivel I Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 69 �70 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2014 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 17 Número Número de la revista 62 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2014, Año 17, No 62, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2014 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020825 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Biodiesel Cloruro de polivinilo Materiales nanocompuestos Organoarcillas Zirconia https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20784/Ingenierias_2013_Ano_16_No_61_Octubre-Diciembre.pdf 2c59cb4d8ad2b0fcf06b028478c5ff91 PDF Text Text 61 ISSN 1405-0676 Bacteria magnetotáctica Laboratorios en ingeniería Eliminación de contaminantes Resistencia química de hormigones OCTUBRE - DICIEMBRE 2013, Año XVI, No. 61 REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN �Contenido Octubre-Diciembre de 2013, Año XVI, No. 61 61 2 Directorio 3 Editorial: La importancia de los laboratorios en la enseñanza de la ingeniería María Idalia Gómez de la Fuente 6 Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria magnetotáctica Carlos Luna Criado, Raquel Mendoza Reséndez 17 Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación de contaminantes orgánicos de agua Diana Berenice Hernández Urésti, Azael Martínez de la Cruz 27 Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique Sandra Pinzón Galvis 38 Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias de coque de petróleo Rodrigo Puente Ornelas, Carlos Javier Lizcano Zulaica, Tushar Kanty Das Roy, Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Bertha Alicia Vázquez Méndez 48 Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas en concreto polimérico Rodolfo Morales Ibarra, Elsa Abigail Duncan Flores, Saida Mayela García Montes, Alma Gisela Martínez Arellano, Juan Francisco Barrón Garanados, Denisse Arantxa Cepeda Mújica 54 Eventos y reconocimientos 57 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 61 Acuse de recibo 62 Colaboradores 65 Información para colaboradores Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 1 �Ingenierías, Año XVI, N° 61, octubrediciembre 2013. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de octubre de 2013. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2013 revistaingenierias@uanl.mx DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA M.C. Esteban Báez Villarreal Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable y director de la revista Ingenierías Lic. Julio César Méndez Cavazos Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Melody Lizeth Cortés Gonzaléz Tipografía y formación Dr. César Guerra Torres Indización M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Jesús E. Escamilla Isla Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Ing. Dagoberto Salas Zendejo Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Prof. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Samir Nagi Yousri Gerges, Brasil. UFSC, Florianopolis / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Óscar L. Chacón Mondragón, FIME-UANL / M.C. Fernando Javier Elizondo Garza, FIME-UANL / Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Moisés Hinojosa Rivera, FIME-UANL / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FCQ-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Azael Martínez De la Cruz, FIME-UANL / Dr. Enrique López Cuellar, FIMEUANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH 2 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 �Editorial: La importancia de los laboratorios en la enseñanza de la ingeniería Dra. María Idalia Gómez de la Fuente Editora de la revista Química Hoy Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas Idalia.Gomezd@uanl.edu.mx En la actualidad comienza a darse una corriente que afirma que el proceso enseñanza-aprendizaje se puede generar de manera virtual a través de programas en que se desarrollan actividades no presenciales. Es indudable que las nuevas tecnologías de la información y comunicación (TIC) ofrecen una oportunidad importante para que cada vez sea más común que haya seminarios, diplomados o cátedras en línea. La popularidad de las TIC influye en que se esté modificando la estructura básica de los cursos científicos y sus prácticas de laboratorio, y en la actualidad es común tener “prácticas demostrativas”, incluso mediante el uso de sitios web, por ejemplo youtube. Si nos enfocamos en el área de las ciencias de la ingeniería, podemos encontrar videos demostrativos de ensayos mecánicos de tensión, compresión y dureza, entre otros. Pero, ¿cómo se puede asegurar que el alumno adquirió la competencia o el conocimiento esperado? o bien, ahora con el enfoque curricular de la enseñanza por competencias, ¿realmente adquiere el alumno las competencias de una unidad de aprendizaje, sin hacer uso de la experiencia presencial que involucra el desarrollar una práctica de laboratorio? No hay manera de sustituir completamente las experiencias que se desarrollan en el laboratorio con actividades no presenciales, ya que cuando un alumno realiza una práctica, en primer lugar aprende a integrarse a un equipo de trabajo, aplicando sus competencias de socialización, el respeto a sus compañeros y la responsabilidad de entregar resultados individuales que serán parte del resultado del equipo. Estas competencias serán indispensables para el éxito del futuro profesional de las ciencias de la ingeniería, pues al tratar de resolver un problema en planta deberá colaborar en equipo con el técnico, el obrero o el encargado del laboratorio para lograr la resolución del problema. En segundo lugar, se da de manera natural la enseñanza por pares, pues son los mismos alumnos los que se explican entre ellos el fenómeno observado y lo discuten. Este modelo de aprendizaje, es la base del modelo constructivista, el cual define al proceso enseñanza-aprendizaje como la organización de métodos de apoyo que permitan a los alumnos construir su propio saber. Entonces, la discusión por pares, permite el realizar preguntas (exponer dudas) que frente al profesor no se harían, debido a que quizás el alumno considere que su pregunta no sea interesante, pero a su compañero sí se la formula, porque es su igual existe Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 3 �La importancia de los laboratorios en la enseñanza de la ingeniería / María Idalia Gómez de la Fuente. un clima de confianza, de apertura. Estas mismas experiencias le permitirán al futuro ingeniero, llamar a algún colega para consultarlo sobre la mejor forma de resolver un problema. En tercer lugar el conocimiento adquirido se integra de manera natural al cúmulo de conocimientos previos, dando pie al método de enseñanza de la escuela filosófica de René Descartes, de la cual podemos mencionar una de sus características, el método deductivo: A partir de las ideas y principios innatos que son elaborados por el entendimiento, se desarrolla deductivamente todo el conocimiento. Por otro lado, las actividades no presenciales sugieren que el proceso de aprendizaje se efectúe mediante la autoguía o la ayuda de un “facilitador” cuya presencia virtual le impide interactuar directamente con los alumnos, perdiendo la oportunidad de detectar las deficiencias de éstos, ya que los alumnos se dirigen a él sólo cuando tienen dudas que se atrevan a expresar, además de que se dificulta la transmisión de consejos y la compartición de experiencias porque no hay comunicación en vivo, ni con el facilitador ni con otros compañeros. La presencia de un profesor en el laboratorio es sumamente importante, pues es el guía, el que domina la ciencia a enseñar, y el que responde de manera asertiva a las dudas, independientemente de que los alumnos las expresen o no. El profesor es quien se asegura de que los alumnos dedican tiempo suficiente y de calidad a las prácticas, y promueve la integración del nuevo conocimiento en el quehacer del futuro profesional de la ingeniería. Para esto resulta más que obvio que las competencias académicas del profesor en el laboratorio deberán ser amplias, además de identificarse por tener una actitud positiva de la práctica experimental, que genere en sus estudiantes expectativas de éxito en el aprendizaje y en el crecimiento personal y con una amplia disposición de atención a los requerimientos del grupo. Las actividades mencionadas sólo pueden ser llevadas a cabo de manera presencial y es por eso que numerosos programas de estudio en el mundo que ofrecen cursos virtuales, aun exigen que los alumnos desarrollen actividades presenciales en aulas y laboratorios. Las habilidades y capacidades que obtienen de este modo son fundamentales en el desenvolvimiento profesional de los ingenieros, especialmente en el trabajo para los desarrollos tecnológicos, aunque no se limita a ellos, pues labores de supervisión efectiva y solución de problemas de campo aprovechan intensivamente lo aprendido con este tipo de formación. A continuación cito algunos ejemplos de éxito que no habrían sido posibles si los protagonistas no hubieran tenido una formación teórica y práctica. Intencionalmente están narrados de la manera típica en que se suelen presentar los inventos y descubrimientos, en la que incluso se llega a atribuir mayor peso a la buena suerte que al trabajo arduo, pero esperando que el lector aprecie que es la formación de los ingenieros la que llevó a los desarrollos tecnológicos correspondientes en estos ejemplos. • El ingeniero Percy Lebaron Spencer descubrió el efecto de las microondas en los alimentos de una forma inesperada. Spencer estaba probando un tubo de vacío, denominado magnetrón, el cual se utilizaba en ese entonces en la fabricación de radares. Al estar trabajando, descubrió que un chocolate que traía en la bolsa se había derretido. Intrigado, probó colocando unas semillas de maíz 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 �La importancia de los laboratorios en la enseñanza de la ingeniería / María Idalia Gómez de la Fuente. cerca del tubo, y las observó agitarse y estallar en forma de palomitas. Spencer repitió el experimento con un huevo, el cual estalló ante sus ojos. El ingeniero dedujo que el calentamiento de los alimentos se debía a la exposición de la energía electromagnética en la frecuencia de las microondas, y así, creó el primer horno que revolucionó la industria de los alimentos desde 1947. • El químico Roy J. Plunkett estaba trabajando en 1938 para la empresa DuPont en una forma para producir un nuevo refrigerante. En uno de sus experimentos encontró un residuo de polvo blanco en una válvula. Al probar esta sustancia en reacción con otras, descubrió que era inerte a todas las bases y ácidos conocidos. La empresa se interesó en el hallazgo de Plunkett y lo registró como parte de sus polímeros como politetrafluoroetileno (PFTE), aunque es conocido popularmente por su nombre comercial, Teflón. Esta sustancia es muy reconocida por sus aplicaciones en los utensilios de cocina, pero también se le han dado múltiples aplicaciones industriales y comerciales, como en la manufactura de farmacéuticos y de semiconductores entre otros. • El marcapasos fue creado por el ingeniero Wilson Greatbach, quien estaba trabajando en un sistema para registrar los latidos del corazón. Pero un error al elegir un componente produjo un fenómeno nuevo: una emisión rítmica de impulsos eléctricos. El genio de Greatbatch pudo darse cuenta de que ese patrón podía identificarse con el de un corazón, tras recordar las charlas con algunos médicos en las que estos le explicaban que en el fondo el corazón es un motor que se alimentaba con electricidad, puso manos a la obra hasta que consiguió el primer marcapasos implantable. Éste se probó con éxito en perros en 1958 y lo patentó en 1962. En los ejemplos anteriores podemos identificar tres características: la práctica experimental real, la duda sobre los resultados obtenidos y la deducción; habilidades y capacidades desarrolladas indudablemente en los laboratorios de ciencias e ingeniería. Otra forma de enfatizar la importancia que tienen las prácticas de laboratorio en el medio laboral se puede dar en la famosa experiencia que los empleadores suelen exigir a los candidatos a contratación. La primera experiencia, que es en sí la combinación de conocimientos y competencias, de campo, puede provenir de la escuela, no es raro que sus laboratorios cuenten con equipos similares, y muchas veces superiores, a los que se encuentran en las empresas. Estos equipos están dedicados a la enseñanza por lo que los estudiantes tienen la oportunidad de conocerlos y trabajar con ellos durante sus estudios. El campo del trabajo es una forma de laboratorio que es altamente valorado, los estudiantes buscan hacer prácticas y los empleadores prefieren a personas con experiencia, es decir que hayan trabajado presencialmente. En sentido estricto, las prácticas de laboratorio contribuyen a que los egresados cuenten con alguna experiencia aunque aún no hayan tenido su primer empleo, y ya que se entiende que tanto los académicos y alumnos, como los empleadores valoran la experiencia, entonces no hay duda de que sin dejar de considerar las bondades de las TIC, cualquier propuesta de actualización de los programas educativos en las ingenierías deberá continuar reforzando la necesidad del trabajo presencial en los laboratorios. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 5 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria magnetotáctica Carlos Luna Criado*, Raquel Mendoza-Reséndez** *Facultad de Ciencias Físico Matemáticas-UANL **FIME-UANL carlos.lunacd@uanl.edu.mx, raquel.mendozars@uanl.edu.mx RESUMEN En esta investigación se proponen y analizan algunas estrategias de síntesis para la preparación de nanoelipsoides magnéticos uniformes con microestructuras diseñadas, que presentan claras similitudes con el arreglo de los magnetosomas (pequeños nanocristales magnéticos) biomineralizados por la bacteria magnetotáctica. Dadas sus propiedades magnéticas duras a temperatura ambiente, el material resultante puede emplearse como imanes permanentes nanoscópicos en campos tan diversos como el registro de información de alta densidad, biosensores y bioseparadores magnéticos, y en terapias basadas en el suministro de fármacos y/o tratamientos de hipertermia localizados. PALABRAS CLAVE Nanoelipsoides, nanoestructuras magnéticas, cadenas de monodominios magnéticos, bacteria magnetotáctica. ABSTRACT In the present contribution, we propose and analyze some synthetic strategies for the preparation of uniform magnetic nanoellipsoids with tailored microstructures that exhibit similarities to the arrangement of the magnetosomes (small magnetic nanocrystals) biomineralized by magnetotactic bacteria. Given their hard magnetic properties at room temperature, the resulting nanoellipsoids can be used as permanent nanomagnets in a large variety of technological fields, including information recording media, magnetic bioseparators and biosensors, localized hyperthermia therapies and drug delivery. KEYWORDS Nanoellipsoids, magnetic nanostructures, chains of magnetic monodomains, magnetotactic bacteria. INTRODUCCIÓN Las nanoestructuras magnéticas con morfologías anisótropas son de gran interés científico y tecnológico. Su estudio nos ofrece oportunidades excepcionales para identificar y entender principios fundamentales de la física del magnetismo, asociados a fenómenos tales como los de la anisotropía magnética y el transporte eficiente de electrones polarizados. Por otra parte, el alcance tecnológico de estos 6 Artículo basado en el trabajo “Nanoelipsoides de Fe y FeCo con Microestructuras Diseñadas Bioinspiradas en la Bacteria Magnetotáctica: Síntesis y Estudios Magnéticos”, el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2013, en la categoría de Ciencias Exactas, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 29 de agosto de 2013. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. fenómenos es todavía difícil de imaginar, dando lugar a áreas aplicadas, todavía en construcción, tan promisorias como el registro magnético de información, tratamientos terapéuticos asistidos mediante campos magnéticos, el diseño de nuevos transductores y la emergente espintrónica, que está revolucionando el modo de almacenar y procesar la información. Cabe destacar que, hasta hace poco, las investigaciones de las nanoestructuras magnéticas con morfologías anisótropas han avanzado relativamente poco en comparación con las de otros materiales de baja dimensionalidad, debido principalmente a que los materiales magnéticos suelen presentar hábitos de crecimiento isótropos. Es por ello que hay pocas técnicas y protocolos disponibles que han permitido obtener nanoestructuras magnéticas con morfologías alargadas de forma controlada. Algunas de ellas están basadas en técnicas de litografía,1 de electro-hilado2 o bien implican el uso de plantillas nanotexturadas o nanoporosas.3 Estas limitaciones conllevan que varios problemas fundamentales y aplicados concernientes a los sistemas de baja dimensionalidad magnéticos estén dentro de los retos de la ciencia moderna. Entre las nanoestructuras magnéticas unidimensionales, tales como nanoalambres y nanotubos, las cadenas de nanopartículas magnéticas monodominio merecen una atención especial, ya que son fundamentales para el estudio de interacciones magnéticas entre partículas monodominio y la comprensión de los procesos de la inversión de la magnetización en nanopartículas con morfologías alargadas.4,5 Es por ello que es necesario disponer de modelos experimentales apropiados para el estudio de nanocadenas magnéticas, contrastando y complementando diversos modelos micromagnéticos. Es interesante señalar al respecto que los nanocristales magnéticos biomineralizados intracelularmente por un tipo de bacterias microaerófilas, denominadas bacterias magnetotácticas, presentan excelentes cualidades para el estudio fundamental y la aplicación tecnológica de nanopartículas magnéticas. Estos nanocristales biomineralizados se conocen con el término magnetosomas, y por lo general se ensamblan en el interior de la bacteria en una o más cadenas lineales con sus ejes de fácil imanación orientados a lo largo del eje de la cadena.6,7 Estas nanopartículas son nanocristales ferrimagnéticos de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 magnetita (Fe3O4) o greigita (Fe3S4).6,7 Sus tamaños son típicamente de 35 a 100 nm, los cuales se encuentran dentro del rango del tamaño de partículas monodominio para estos materiales, y por encima del tamaño crítico superparamagnético a temperatura ambiente. Todas estas características están diseñadas biológicamente para proporcionar un momento magnético permanente a cada bacteria, que le permite orientarse y moverse paralelamente con las líneas del campo geomagnético.6,7 Desafortunadamente, las dificultades para lograr un cultivo masivo de las bacterias magnetotácticas obstaculizan su explotación científica y comercial.7 Por estas razones, el desarrollo de rutas sintéticas para preparar cadenas de nanocristales magnéticos análogos a los magnetosomas es un objetivo de gran relevancia. Este reto nos motivó recientemente8-11 a revisar algunos métodos de preparación sintéticos de nanoestructuras aplicando nuevos enfoques y estrategias, para obtener nanopartículas elipsoidales de Fe y de FeCo que presentan microestructuras diseñadas muy peculiares, similares a las cadenas de magnetosomas de las bacterias magnetotácticas. El método empleado se basa en los resultados previos encontrados en la reducción con hidrógeno de nanopartículas de hematites.12-14 En la contribución presente se describen y analizan los fundamentos de dichas metodologías, y se muestra como aplicando las estrategias propuestas se logró controlar de manera flexible la composición y la elongación de los nanoelipsoides de Fe y de FeCo, la orientación de los cristalitos monodominio magnéticos (con las direcciones <110> ó <001> aproximadamente orientadas a lo largo del eje longitudinal del nanoelipsoide), su tamaño (de 32 a 16 nm) y el tipo de sus arreglos en cadenas simples o cadenas dobles. TÉCNICAS EXPERIMENTALES Reactivos químicos empleados En la síntesis de las muestras se utilizaron los siguientes reactivos tal como se recibieron: perclorato de hierro (III) (Fe(ClO4)3, >98%, Fluka), urea (>99%, Merck), fosfato dihidrogenado de sodio (NaH2PO4,> 97%, Fluka), hidróxido de amonio (NH4OH, 99.99+%, Sigma-Aldrich), nitrato de itrio (Y(NO3)3 6H2O, 99.9%, Aldrich) y nitrato de cobalto 7 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. (Co(NO3)2 6H2O, >99%, Merck). El agua añadida en todos los experimentos se destiló tres veces. Síntesis de las partículas de hematites precursoras Para preparar las muestras de hematites (α-Fe2O3) con relación axial (i.e. la relación entre la longitud de las partículas y su anchura) controlable, se calentaron en un horno a 98°C soluciones acuosas con perclorato de hierro (III) 0.1 M, urea 0.1 M y una concentración variable (0, 3.5, 4.5 o 5.5 mmol dm-3) de fosfato dihidrogenado de sodio. En este proceso, las soluciones se mantuvieron inalteradas en tubos de ensayo cerrados durante 48 horas. Después de enfriar la mezcla resultante a temperatura ambiente, se separó el sólido precipitado de la solución madre mediante centrifugación, y se purificó varias veces con agua. Finalmente, se secó el polvo obtenido a 50°C en una estufa de secado. Las muestras resultantes se identificaron de acuerdo a la concentración de fosfato empleada: H-0mM, H3.5mM, H-4.5mM y H-5.5mM, respectivamente. Reducción térmica de las partículas de hematites a hierro metálico (α-Fe) Para obtener partículas de hierro constituidas por nanocristales monodominio alineados en cadenas, las muestras de hematites precursoras (H-3.5mM, H-4.5mM y H-5.5mM) se redujeron a α-Fe mediante tratamientos térmicos bajo un flujo continuo de gas hidrógeno (99,99%) de 40 l/h a 400°C. El tiempo de reducción en la mayoría de los experimentos fue de 4 horas. No obstante, se hicieron algunos experimentos con tiempos de reducción menores (1 ó 2 horas) con la finalidad de obtener mayor información acerca del proceso de reducción. Después de estos tratamientos térmicos, la fuente de calentamiento se retiró y las muestras se dejaron enfriar a temperatura ambiente. Posteriormente, con el fin de pasivar la superficie de las partículas de α-Fe y evitar una oxidación posterior de la muestra al ponerla en contacto con el aire, se hizo incidir sobre las muestras gas N2 previamente burbujeado en un matraz que contenía etanol. Las muestras resultantes obtenidas con tiempos de reducción de 4h se identificaron con los nombres: Fe3.5mM, Fe-4.5mM y Fe-5.5mM, respectivamente. 8 Obtención de nanoelipsoides de FeCo Con el fin de obtener partículas de FeCo con morfología elipsoidal, los nanoelipsoides de hematites fueron recubiertos con una capa de cobalto antes de proceder al tratamiento térmico de reducción.10 Para ello, se dispersaron 5 mmol de partículas de hematites (muestra H-4.5mM) en 150 ml de agua destilada empleando un baño de ultrasonido. A continuación, se añadieron 50 ml de una solución acuosa de nitrato de cobalto con una relación molar [Co]/[Co+Fe] del 10%. Después, el pH de la solución se ajustó a 10 con una solución de NH4OH y la muestra se mantuvo bajo agitación durante 1 h. A continuación, se separaron las partículas por centrifugación, se purificaron con agua destilada y se secaron a 50°C durante 12 horas. La reducción de esta muestra se llevó a cabo en dos etapas. En la primera etapa, la muestra de hematites recubierta con cobalto se calentó a 200°C en vacío durante 3 horas, y después se redujo a una ferrita en una atmósfera de hidrógeno a 360°C. Posteriormente, esta muestra se recubrió con una cantidad adicional del 20% molar de cobalto para obtener nanoelipsoides finales de Fe70Co30. A continuación, los nanoelipsoides recubiertos se redujeron a la fase metálica por medio de calentamiento a 400°C durante 4 horas en presencia de un flujo de hidrógeno de 40 l/h. Luego, la muestra se enfrió a temperatura ambiente bajo atmósfera de H2. Finalmente, se hizo pasar a través de la muestra gas N2 humedecido con etanol con el fin de oxidar moderadamente la superficie de los nanoelipsoides para estabilizarlos. La muestra final fue identificada como FeCo-4.5mM. Nanoelipsoides de hierro recubiertos con itrio Para recubrir los nanoelipsoides de hematites con un compuesto de itrio nos inspiramos en el método descrito por Aiken y Matijevic.15,16 Brevemente, se dispersaron 50 mg de nanoelipsoides de hematites (muestra H-4.5mM) en 30 ml de agua destilada empleando un baño de ultrasonido durante 5 minutos. A continuación, se añadieron a la dispersión de partículas 50 ml de una solución acuosa de nitrato de itrio con 1.8 M de urea en agitación mecánica durante 15 minutos. En estos experimentos, el porcentaje molar de itrio Y/(Y+Fe) se ajustó a 2, 4 y 6. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Posteriormente, la solución resultante se mantuvo en tubos de ensayo cerrados y se envejeció en un horno durante 2 horas a 90°C. Por último, las partículas fueron recuperadas por centrifugación y lavadas varias veces con agua destilada. La recolección del precipitado se realizó por filtración y se secó a 50°C en una estufa de secado. Posteriormente, estos nanoelipsoides fueron reducidos a su estado metálico mediante tratamientos térmicos bajo un flujo continuo de gas hidrógeno (99,99%) a 500°C. Las muestras obtenidas se identificaron con los nombres: Fe-4.5mM@Y2%, Fe-4.5mM@Y4% y Fe-4.5mM@Y6%, respectivamente. Técnicas de caracterización Se realizaron mediciones de difracción de rayos X (DRX) para identificar las fases presentes en las muestras utilizando un difractómetro Siemens D5000 con radiación Kα de Cu. Las longitudes de coherencia promedio (LCP) perpendiculares a los planos cristalográficos de las muestras (determinados mediante los índices de Miller h, k y l) se denotaron con Dhkl y se calcularon a partir de la anchura a media altura (FWHM) del pico de la reflexión correspondiente utilizando la ecuación de Scherrer:17 Dhkl = 0.9λ β Cosθd (1) donde λ es la longitud de onda de los rayos X, β es el ancho del pico de difracción y θd es el ángulo de difracción. El tamaño y forma de las partículas fueron examinados por microscopía electrónica de transmisión (MET) utilizando un microscopio FEI-TITAN 80-300 kV operando a 300 kV. Las muestras fueron depositadas sobre rejillas de cobre tipo “lacey-carbon”. Durante los estudios de MET no hubo evidencia de transformaciones estructurales o químicas de las muestras. Los valores promedio y desviación estándar de la longitud y anchura de las partículas se determinaron mediante un análisis estadístico de las dimensiones observadas en las micrografías MET de más de 100 partículas. La media y desviación estándar de la relación axial se determinó a partir de los valores obtenidos para cada partícula. Para obtener más información acerca de la microestructura de las partículas se utilizó difracción de electrones de área seleccionada (DEAS) y Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución fueron analizadas haciendo transformadas rápidas de Fourier (FFT) con el programa informático Digital Micrograph 3.11.1 (Gatan software, Inc). Los elementos presentes en las muestras se determinaron mediante espectrometría de emisión atómica con inducción de plasma acoplado (ICP-AES, Perkin-Elmer 5500), y en partículas individuales se llevaron a cabo análisis de espectrometría de energía dispersiva (EED). Las propiedades magnéticas de las partículas se estudiaron con un magnetómetro de muestra vibrante SQUID-VSM (Quantum Design). Las curvas de histéresis magnética se midieron con un campo máximo aplicado de 3T a temperatura ambiente. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caracterización de las nanoestructuras de hematites precursoras Para obtener nanoelipsoides magnéticos se sintetizaron, primeramente, nanoestructuras de hematites (α-Fe2O3) alargadas mediante la hidrólisis de soluciones de hierro (III) inducida térmicamente en presencia de urea e iones fosfato. Estas nanoestructuras, a diferencia de las nanoestructuras de hierro metálico y las aleaciones de FexCo100-x, pueden crecer con una gran variedad de morfologías anisótropas que dependen fuertemente de las condiciones de síntesis, tales como la presencia de agentes surfactantes. La figura 1a muestra los patrones de difracción de las nanoestructuras precursoras sintetizadas en presencia de diferentes concentraciones de fosfato dihidrogenado. Dichos patrones corresponden a una única fase cristalina consistente con la estructura tipo corundum de la hematites (Joint Committee on Powder Diffraction Standards fichero No. 33-0664). Las imágenes de MET (ver figura 2) mostraron que la presencia de pequeñas concentraciones de fosfato de sodio en el medio de reacción modificaron substancialmente la morfología y uniformidad de las nanoestructuras de hematite. De esta forma, se encontró que la uniformidad y la relación axial de las partículas de hematites aumentó con el incremento de la relación de concentraciones entre iones fosfato y Fe+3 (ver figuras 1b y 2a-d). Este cambio de 9 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Fig. 1. a) Patrones de DRX de las muestras H-0mM, H4.5mM y H-5.5mM. b) Dependencias de la relación axial y los valores de D104 de las muestras de hematites en función de la relación de concentraciones [PO4-3]/[Fe+3] empleada en su síntesis. Fig. 2. Micrografías de MET de las muestras de hematites sintetizadas a) en ausencia de iones fosfato y con concentraciones de NaH2PO4 de b) 3.5, c) 4.5 y d) 5.5 mmol dm-3. 10 morfología, de partículas equiaxiales a nanoelipsoides, también se evidenció con el cambio de la relación de intensidades de los picos de DRX correspondientes a los planos (104) y (110), ver figura 1a. Las imágenes MET de campo brillante y campo oscuro de los nanoelipsoides de hematites (figuras 3a y b) mostraron que los nanoelipsoides de αFe2O3 tienen una estructura interior constituida por cientos de nanopartículas primarias ensambladas con diámetros en torno a un orden de magnitud menor que la anchura de los nanoelipsoides. Por otra parte, las imágenes de MET de alta resolución revelaron que estas nanopartículas primarias son monocristales que están altamente orientados con la dirección <001> dirigida a lo largo del eje del nanoelipsoide. Como ejemplo ilustrativo, la figura 3c muestra una imagen de MET de alta resolución cuya transformada rápida de Fourier es presentada en la figura 3d. El patrón observado en esta última imagen está constituido por puntos ligeramente alargados (formando pequeños arcos) que pueden indexarse en el eje de zona [1-10] de la hematites. Esto confirma que los nanocristales de α-Fe2O3 comparten la misma orientación dentro del nanoelipsoide. Por otra parte, se observa que la dirección cristalográfica [006] cae a lo largo del eje largo del nanoelipsoide. Otra evidencia de la alta orientación de los nanocristales es que las longitudes de coherencia promedio, D104 (figura 1b), presentan valores más próximos al ancho de los nanoelipsoides que al tamaño de los nanocristales. Estos resultados sugieren que el mecanismo de formación de los nanoelipsoides de α-Fe2O3 se basa en la agregación espontánea de nanopartículas monocristalinas primarias de hematites para formar estructuras ordenadas con morfología elipsoidal. Para verificar esta hipótesis, se tomaron alícuotas del medio de reacción a diferentes tiempos y se examinaron por MET. En la figura 4a se muestra una imagen de MET obtenida para una alícuota extraída transcurridas 30 horas de reacción en el experimento H-4.5 mM. En esta imagen se observan claramente nanopartículas primarias que tienden a agregarse en estructuras nanoelipsoidales. La relación entre la relación axial de los nanoelipsoides y la concentración relativa de aniones PO4-3 (ver figuras 1b y 2a-d), así como la alta orientación de los nanocristales de α-Fe2O3 dentro de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Fig. 3. Imágenes MET de a) campo brillante y b) de campo oscuro de una partícula de la muestra H-4.5mM. c) Micrografía MET de alta resolución de la partícula estudiada en la imagen anterior. La dirección del eje largo de la partícula está resaltada con una flecha doble. d) Transformada rápida de Fourier de la imagen c. Los puntos de este patrón han sido indexados al eje de zona [1-10] de la hematites. las nanoarquitecturas elipsoidales, son consecuencias de la adsorción preferencial de los aniones PO4-3 por las caras superficiales paralelas al eje c de la hematites. Esta adsorción selectiva puede explicarse teniendo en cuenta las relaciones estereoquímicas entre los aniones PO4-3 y los huecos que presenta la estructura de la hematites en las mencionadas caras (ver fig. 4b).18 De este modo, esta adsorción selectiva provee una cierta distribución de cargas eléctricas en la superficie de los nanocristales, la cual introduce nuevas interacciones anisótropas en el sistema que determinan la dirección [001] como la dirección preferencial para la agregación de los nanocristales, favoreciendo la formación de nanoarquitecturas con una morfología alargada (ver esquema representativo en figura 4c). Caracterización de los nanoelipsoides de α-Fe Los patrones de DRX de las muestras obtenidas después del tratamiento térmico (ver por ejemplo patrón de la muestra Fe-4.5mM en la figura 5) pueden indexarse considerando una única fase cristalina de hierro metálico (Joint Committee on Powder Diffraction Standards fichero No. 06-696). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Fig. 4. a) Micrografía de MET de una alícuota extraída transcurridas 30 horas de reacción en el experimento H4.5mM. b) Representación esquemática de la adsorción selectiva de aniones PO4-3 por las caras paralelas al eje c de la hematites. c) Representación idealizada del proceso de auto-ensamblaje de nanocristales de hematites en una nanoarquitectura con forma elipsoidal. Es importante destacar que los valores de D110 fueron los mismos, dentro del error experimental, para las muestras Fe-3.5mM, Fe-4.5mM y Fe-5.5mM, siendo próximos a 30 nm. Los estudios por MET mostraron que la uniformidad y morfología de las partículas no experimentaron cambios significativos después de aplicar los tratamientos térmicos reductores (ver figuras 6a y b), sin embargo, se observó que las dimensiones de los nanoelipsoides se redujeron ligeramente. Las imágenes de altos aumentos de MET (figura 6b y c) indicaron que, con el tratamiento térmico en presencia de flujos de hidrógeno, los nanoelipsoides de hematites no solo experimentaron una transformación cristaloquímica, sino que también aumentó el tamaño de los cristalitos. De este modo, en estas imágenes se observa que los nanoelipsoides están constituidos por sub-unidades con un núcleo oscuro de unos 30 nm de diámetro recubierto por una capa de pocos nm, asociada a la superficie de óxido formada durante el proceso controlado de pasivación, la cual aparece con un tono más claro. 11 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Fig. 5. Patrones de DRX de las muestras H-4.5mM, Fe4.5mM, FeCo-4.5mM y Fe-4.5mM@Y6%. Este óxido no fue detectado por difracción de rayos X (figura 5), probablemente debido a su pequeño tamaño de cristal. La distribución de las subunidades en el interior de los nanoelipsoides dependió de las dimensiones de los nanoelipsoides de hematites iniciales y el tiempo de reducción, tal como se estudió con detalle en las referencias 8 y 10. En particular, se encontró que los nanoelipsoides después de un tratamiento térmico de 1 ó 2 horas, solo presentaron una cadena de sub-unidades alineadas. Esta estructura de una sola cadena de cristales se observó también en los nanoelipsoides de la muestra Fe-5.5mM. En cambio, los nanoelipsoides de las muestras Fe-3.5mM y Fe-4.5mM exhibieron una peculiar estructura formada por una sub-unidad en cada punta de la partícula y dos cadenas lineales de sub-unidades en el centro de la partícula (ver figuras 6b y c). A este tipo de arreglo lo llamamos cadenas dobles frustradas. En la figura 7a se muestra una representación esquemática de estos cambios. Caracterización de los nanoelipsoides de FexCo100-x Tal como se demostró en otros trabajos,10,12 es factible modificar la composición de los 12 Fig. 6. a), b) y c) Imágenes de MET de la muestra Fe4.5mM. En la imagen c, algunos núcleos metálicos están resaltados con líneas discontinuas. d) Imagen de MET de la muestra FeCo-4.5mM. e) Micrografía de MET de alta resolución de un nanoelipsoide de FeCo-4.5mM. f) Transformada rápida de Fourier de la imagen e. nanoelipsoides y obtener nanoelipsoides de FexCo100-x (0 ≤ x ≤ 30) recubriendo las nanopartículas de hematites iniciales con una capa de óxido de cobalto. Al reducir estos nanoelipsoides con el tratamiento térmico en atmósferas de hidrógeno, el cobalto se difunde dentro de la partícula obteniendo nanoaleaciones de FexCo100-x. Esto es posible dado que el radio de los átomos de Co es muy próximo al de los átomos de Fe. La figura 7b muestra una representación esquemática de este proceso. Los nanoelipsoides de FexCo100-x presentaron las mismas características estructurales que los nanoelipsodes de α-Fe. De este modo, presentaron núcleos metálicos monocristalinos, con una estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc, por sus siglas en inglés), recubiertos por una capa de óxido. En la figura 6d se presenta una imagen de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. MET de bajos aumentos de la muestra FeCo-4.5mM, donde se puede observar la uniformidad de estos nanoelipsoides. En la figura 6e se muestra una imagen MET de alta resolución de un nanoelipsoide de Fe70Co30. La transformada rápida de Fourier de esta imagen (figura 6f) muestra un patrón de puntos que pueden indexarse con el eje de zona [100] de una aleación FexCo100-x con estructura bcc. De las imágenes 6e y f podemos concluir que la dirección [011] (que es la dirección del eje magnético medio para un cristal αFe con anisotropía magnetocristalina predominante) cae a lo largo del eje del nanoelipsoide. Además, se detectaron puntos de difracción que se pueden asociar al eje de zona [110] de una ferrita, asociada a la capa superficial de óxido protectora, siendo la dirección <100> coincidente con la dirección <001> del Fe70Co30. Fig. 7. Representaciones esquemáticas de las transformaciones estructurales y de composición observadas: a) durante el proceso de reducción de nanoelipsoides de hematites, b) durante el proceso de reducción de nanoelipsoides de hematites recubiertas con cobalto, y c) durante el proceso de reducción de nanoelipsoides de hematites recubiertos con itrio. Nuevas estrategias para el diseño de la microestructura de nanoelipsoides de α-Fe y FexCo100-x Los estudios presentados en la sección anterior han demostrado que los nanoelipsoides obtenidos presentan el gran atractivo de combinar una morfología elipsoidal con una microestructura constituida por cadenas de nanocristales magnéticos alineados, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 mostrando claras semejanzas con los magnetosomas de la bacteria magnetotáctica. Esto los convierte en excelentes modelos experimentales útiles para la contrastación y complementación de diversos modelos teóricos micromagnéticos.8,10 No obstante, con los protocolos descritos no se logró controlar ni el tamaño de los cristalitos metálicos ni su orientación dentro del nanoelipsoide, siendo ambos parámetros determinantes en las propiedades físicas de los nanoelipsoides. Es por ello que buscamos nuevas estrategias que mejoraran nuestra capacidad de controlar la microestructura de los nanoelipsoides. Con este fin, se trató de modular el crecimiento de los nanocristales durante el proceso de reducción mediante la introducción de tensiones internas adicionales dentro de los nanoelipsoides. Para ello, se recubrieron los nanoelipsoides de hematites iniciales con compuestos cuyos coeficientes de dilatación térmica lineal son diferentes a las fases en las que se transforma el nanoelipsoide durante el tratamiento térmico (magnetita y α-Fe). De este modo, estos recubrimientos generan tensiones internas transversales producidas por las diferencias en la expansión térmica entre el nanoelipsoide y su recubrimiento durante el proceso de reducción con tratamientos térmicos en atmósferas de hidrógeno.10 En este protocolo, el espesor y la naturaleza del recubrimiento son factores de control de las propiedades microestructurales de los nanoelipsoides finales.9 En el trabajo presente mostraremos los resultados obtenidos empleando recubrimientos de óxido de itrio. El itrio no se difunde al interior de las partículas, permaneciendo principalmente en la superficie del nanoelipsoide después del proceso de reducción térmica, tal como demostramos mediante caracterizaciones de XPS y otras técnicas analíticas en la referencia 10. No obstante, la presencia de estos recubrimientos no se detectó por difracción de rayos X debido a su naturaleza amorfa. Estos recubrimientos tuvieron una fuerte influencia en el tamaño de los monocristales metálicos de los nanoelipsoides finales. En la figura 8f se muestra el valor de la longitud de coherencia promedio D110 de los nanoelipsoides tratados térmicamente en función de la relación molar [Y]/[Y+Fe]. De esta dependencia se puede deducir que el tamaño de los núcleos de los nanoelipsoides disminuye significativamente según aumenta el espesor del recubrimiento. 13 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Por otra parte, los análisis realizados mediante difracción de electrones y MET de alta resolución indicaron que los recubrimientos también tuvieron una influencia en la orientación de los cristales metálicos y el tipo de arreglo que forman. Como ejemplo ilustrativo, mostraremos el caso de una muestra de nanoelipsoides de hierro recubiertos con itrio con una relación molar [Y]/[Y+Fe] del 6% (figura 8a). En la mayoría de estos nanoelipsoides, no se evidenció una estructura tipo cadenas dobles frustradas, sino que los nanocristales de Fe aparecieron alineados en solo una cadena recubiertos por un material amorfo, tal como se puede observar en las figuras 8b y c. La figura 8d muestra una imagen de MET de alta resolución de uno de los núcleos de hierro metálico de un nanoelipsoide de la muestra Fe-4.5mM@Y6%. En ella se observan franjas reticulares que pueden asociarse a la estructura bcc del hierro proyectada a lo largo de la dirección <100> (véase también la imagen de FFT correspondiente en la figura 8e). Fig 8. a), b) y c) Micrografías de MET de la muestra Fe-4.5mM@Y6%. d) Imagen de MET de alta resolución correspondiente a la región resaltada en la imagen c) con un cuadro discontinuo. e) Transformada rápida de Fourier de la imagen d. f) Dependencia de las longitudes de coherencia D110 de los nanoelipsoides de α-Fe en función de la cantidad de itrio en sus recubrimientos. 14 Además, se encontró que la dirección <001> (es decir, la dirección del eje de fácil magnetización para un cristal α-Fe con anisotropía magnetocristalina predominante) es aproximadamente paralela al eje largo del nanoelipsoide. Estas mismas características la presentaron el resto de los núcleos de este nanoelipsoide. Propiedades magnéticas de los nanoelipsoides de α-Fe y de Fe x Co 100-x , y su potencial tecnológico La peculiar microestructura de los nanoelipsoides obtenidos, constituida por nanocristales magnéticos alineados en cadenas, y el alto nivel de control que nos aportan los métodos de preparación propuestos sobre el tamaño, tipo de arreglo y orientación de los nanocristales dentro de los nanoelipsoides, convierten a este sistema de partículas en un excelente modelo experimental útil para la contrastación y complementación de diversos modelos teóricos micromagnéticos 8,10, el estudio de los efectos de las interacciones dipolares en un sistema de nanopartículas8 y el estudio de la competencia de diversas fuentes de anisotropía en partículas alargadas.11 Es importante resaltar que el tamaño de los núcleos metálicos de los nanoelipsoides es menor que el tamaño crítico monodominio esperado para nanopartículas de α-Fe y de FeCo,19 por lo que es esperable que éstos núcleos sean monodominios magnéticos. Esta hipótesis fue corroborada en las referencias 8 y 10 realizando diversos estudios magnéticos. La figura 9 muestra los ciclos de histéresis medidos a temperatura ambiente de algunas de las muestras estudiadas en la contribución presente. En estas curvas se observa que estas muestras presentan valores altos de campo coercitivo, magnetización remanente e imanación de saturación debido a su anisotropía de forma. Estos valores varían dependiendo del tamaño de los núcleos, el tipo de alineamiento de los núcleos (cadenas simples o dobles frustradas) arreglo y su composición.10 En relación con estas propiedades, es importante destacar que los valores del campo coercitivo encontrados son considerablemente más grandes que el campo coercitivo máximo esperado para una partícula monodominio de α-Fe con una anisotropía magnetocristalina predominante (2K1/MS ≈ 560 Oe, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. tratamientos térmicos localizados se basarían en que los nanoelipsoides disipan energía en forma de calor cuando se encuentran en el seno de un campo magnético alterno por medio de la rotación de su momento magnético (relajación de Néel) y la rotación de los nanelipsoides producida por el torque ejercido por el campo aplicado (relajación browniana). Fig. 9. Ciclos de histéresis obtenidos para las muestras Fe-4.5mM, FeCo-4.5mM y Fe-4.5mM@Y6% a temperatura ambiente. donde K 1 es la constante de anisotropía 20), y notablemente mayor que los valores observados experimentalmente en nanopartículas de hierro con un diámetro alrededor de 30 nm a temperatura ambiente. 21 Esto sugiere que la anisotropía de forma es la fuente de anisotropía predominante en el sistema a temperatura ambiente. Por otra parte, estos valores se incrementan considerablemente si la temperatura de medición se reduce a pocos grados Kelvin,8,11 lo cual es esperable para un arreglo de cristales ferromagnéticos con tamaños de pocas decenas de nanómetros. Las propiedades magnéticas duras de nuestro sistema de nanopartículas implican elevadas pérdidas de energía durante su histéresis, factor que junto a las reducidas dimensiones de los nanoelipsoides los hacen muy atractivos para su uso como material base para el diseño de medios flexibles de almacenamiento de información o de energía. Por otro lado, podrían presentar un futuro prometedor en diversas aplicaciones dentro del área biomédica. Por ejemplo, se podrían emplear en el diseño de biosensores y bioseparadores basados en el reconocimiento, anclaje y recolección magnética de biomoléculas y agentes patógenos. Asimismo, los nanoelipsoides magnéticos podrían emplearse en terapias de tumores cancerígenos transportando fármacos antineoplásicos y a su vez emplearse como diminutos centros de irradiación de calor (42-55°C) para destruir selectivamente células cancerígenas sin dañar a los tejidos sanos adyacentes. Estos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 CONCLUSIONES En la contribución presente se han establecido procedimientos de preparación de nanoelipsoides de Fe y FeCo con una microestructura constituida por nanocristales monodominio alineados con la misma orientación formando una o dos cadenas dentro de los nanoelipsoides, de forma similar a como aparecen alineados los magnetosomas de la bacteria magnetotáctica. Las técnicas desarrolladas permiten modificar de forma controlada y reproducible la composición y la elongación de los nanoelipsoides magnéticos, la orientación de los nanocristales, su tamaño y el tipo de sus arreglos. Esto conduce a su vez a la modulación de sus propiedades magnéticas, las cuales se caracterizan por sus altos valores de coercitividad, magnetización remanente y de magnetización de saturación debido a que presentan una alta anisotropía magnética gobernada principalmente por su morfología alargada. Estas propiedades magnéticas duras, adaptables a las necesidades específicas de una aplicación determinada, proveen a estos nanoelipsoides de un gran potencial tecnológico. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al M. C. Enrique Díaz Barriga su excelente ayuda técnica en el MET. Asimismo, agradecen al Dr. Carlos J. Serna y a la Dra. M. Puerto Morales sus valiosos comentarios. Esta investigación fue financiada por CONACYT con los proyectos CB84478 y CB83468, y la UANL con el proyecto Paicyt2009-IT 147-09. REFERENCIAS 1. T.-K. Chung, S. Keller, G. P. Carman. Electricfield-induced reversible magnetic single-domain evolution in a magnetoelectric thin film. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 132501. 15 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. 2. H. Wu, R. Zhang, X. Liu, D. Lin, W. Pan. Electrospinning of Fe, Co, and Ni Nanofibers: Synthesis, Assembly, and Magnetic Properties. Chem. Mater. 2007, 19, 3506-3511. 3. V. M. Prida, K. R. Pirota, D. Navas, A. Asenjo, M. Hernández-Vélez, M. Vázquez. Self-Organized Magnetic Nanowire Arrays Based on Alumina and Titania Templates. J. Nanosci. Nanotechnol. 2007, 7, 272-285. 4. I. S. Jacobs, C. P. Bean. An Approach to Elongated Fine-Particle Magnets. Phys. Rev. 1955, 100, 1060-1067. 5. L. Zhang y A. Manthiram. Experimental study of ferromagnetic chains composed of nanosize Fe spheres. Phys. Rev. B 1996, 54, 3462-3467. 6. R. E. Dunin-Borkowski, M. R. McCartney, R. B. Frankel, D. A. Bazylinski, M. Pósfai, P. R. Buseck. Magnetic microstructure of magnetotactic bacteria by electron holography. Science 1998, 282, 1868-1870. 7. D. Schüler. Formation of magnetosomes in magnetotactic bacteria. J. Molec. Microbiol. Biotechnol. 1999, 1, 79-86. 8. Carlos Luna Criado, Raquel Mendoza Reséndez. Estudio del mecanismo de inversión de la magnetización en nanoelipsoides de Fe con microestructuras diseñadas, bioinspiradas en la bacteria magnetotáctica. CiENCiAUANL 2013 (aceptado). 9. Raquel Mendoza Reséndez, Carlos Luna Criado. Método de control de las propiedades microestructurales y magnéticas de partículas elipsoidales mediante la modulación de sus tensiones internas a través de recubrimientos con una relación de sus coeficientes de expansión térmica. Patente MX/a/2013/005103. 10. R. Mendoza-Reséndez, C. Luna, E. D. BarrigaCastro, P. Bonville y C. J. Serna. Control of Crystallite Orientation and Size in Fe and FeCo Nanoneedles. Nanotechnology 2012, 23, 225601. 11. R. Mendoza-Reséndez, C. Luna. Shape 16 Anisotropy and Exchange Bias in Magnetic Flattened Nanospindles with Metallic/oxide Core/Shell Structures. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 2012, 12, 7577-7581. 12. Raquel Mendoza-Reséndez, Raul Pozas, M. Puerto Morales, Pierre Bonville, Manuel Ocaña, Carlos J. Serna. FeCo magnetic nanoneedles obtained by Co-coating haematite. Nanotechnology 2005, 16, 647–654 13. R. Mendoza-Reséndez, O. Bomati-Miguel, M. P. Morales, P. Bonville, C. J. Serna. Microstructural characterization of ellipsoidal iron metal nanoparticles. Nanotechnology 2004, 15, S254S258. 14. R. Mendoza-Reséndez, M. P. Morales, C. J. Serna. Reduction mechanism of uniform iron oxide nanoparticles to metal used as recording media. Mater. Sci. Eng. C 2003, 23, 1139-1142. 15. B. Aiken, E. Matijevic. Preparation and properties of uniform coated inorganic colloidal particles. IV. Yttrium basic carbonate and yttrium oxide on hematite. J. Colloid and Interface Sci. 1988, 126, 645-649. 16. E. Matijevic. Preparation and properties of uniform size colloids. Chem. Mater. 1993, 5, 412-426. 17. B. D. Cullity, S. R. Stock. Elements of X-ray diffraction. Prentice may: New Jersey. 2001. 18. V. Barron, M. Herruzo, J. Torrent. Phosphate Adsorption by Aluminous Hematites of Different Shapes. Soil. Sci. Soc. Am. Proc. 1988, 52, 647651. 19. A. Aharoni. Angular dependence of nucleation by curling in a prolate spheroid. J. Appl. Phys. 1997, 82, 1281-1287. 20. C. Kittel. Physical theory of ferromagnetic domains. Rev. Mod. Phys. 1949, 21, 541-583. 21. R. Fernández-Pacheco, M. Arruebo C. Marquina, R. Ibarra, J. Arbiol and J. Santamaría. Highly magnetic silica-coated iron nanoparticles prepared by the arc-discharge method. Nanotechnology 2006, 17, 1188-1192. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación de contaminantes orgánicos de agua Diana Berenice Hernández Urésti, Azael Martínez-de la Cruz CIIDIT-FIME-UANL azael70@gmail.com RESUMEN El molibdato de plomo (PbMoO4) fue sintetizado en forma de polvo mediante cinco rutas de síntesis (reacción en estado sólido-SS, coprecipitación-Cop, hidrotermalH60, sonoquímica-Sono y por radiación con microondas-MW). Las muestras resultantes fueron caracterizadas por técnicas experimentales convencionales. La actividad fotocatalítica de PbMoO4 fue evaluada bajo irradiación UV en la reacción de degradación de rodamina B (RhB), índigo carmín (IC), naranja G (OG) y naranja de metilo (MO). En general, la actividad de las muestras preparadas siguió la secuencia MW > Sono > H60 > Copp > SS mostrando una importante correlación con la ruta de síntesis del material. Esta situación fue asociada con las propiedades texturales y morfológicas del óxido. Bajo condiciones ácidas, para el caso de RhB, IC y OG, las soluciones fueron rápidamente decoloradas. El análisis de carbón orgánico total (TOC) de las soluciones irradiadas de los colorantes reveló que un alto grado de mineralización de los compuestos orgánicos es posible por acción de PbMoO4 luego de 96 h de radiación UV. PALABRAS CLAVE Fotocatálisis heterogénea, PbMoO4, molibdato, colorantes orgánicos Artículo basado en el trabajo “Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación de contaminantes orgánicos de agua”, el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2013, en la categoría de Ingeniería y Tecnología, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 29 de agosto de 2013. ABSTRACT Lead molybdate powder (PbMoO4) was successfully synthesized by using five routes of synthesis (solid state reaction-SS, coprecipitation-Cop, hydrothermalH60, sonochemistry-Sono and microwave irradiation-MW). The resulting samples were characterized by conventional experimental techniques. The photocatalytic activity of PbMoO4 samples was evaluated under UV irradiation for the degradation reaction of rhodamine B (RhB), indigo carmine (IC), orange G (OG), and methyl orange (MO). In general, the activity of samples synthesised follows the sequence MW > Sono > H60 > Copp > SS showing a strong correlation with the route of synthesis. This fact was associated with the textural and morphological properties of oxide. The bleaching of the organic dye solutions over PbMoO4 photocatalyst was quickly reached for RhB, IC, and OG under acidic conditions. Total organic carbon (TOC) analysis of samples irradiated revealed that mineralization of organic dyes by the action of PbMoO4 is feasible after 96 h of UV irradiation. KEYWORDS Heterogeneous photocatalysis, PbMoO4, molybdate, organic dyes Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 17 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. INTRODUCCIÓN La búsqueda de nuevas tecnologías de oxidación para la purificación de agua que resulten eficientes y económicamente factibles a escalas industriales se ha centrado en el uso de la energía solar como fuente energética. Una de las aplicaciones fotoquímicas que ha despertado más interés en las últimas décadas entre la comunidad científica internacional es la fotocatálisis heterogénea. Debido a que la velocidad de recombinación hueco-electrón en el seno del semiconductor es muy superior a la velocidad de oxidación-reducción de especies contaminantes en su superficie, es indispensable establecer condiciones experimentales para promover esta separación y hacer ineficiente el proceso de recombinación de cargas. Lo anterior puede realizarse, bien mediante la modificación estructural/electrónica del semiconductor, o bien mediante la variación del medio de reacción. El material semiconductor por excelencia utilizado como fotocatalizador es el TiO 2 en su forma cristalina de anatasa debido a su alta actividad catalítica bajo radiación ultravioleta, alta inercia ante procesos de fotocorrosión y bajo costo. Diversos trabajos han sido realizados con el fin de desarrollar fotocatalizadores con alta eficiencia en la región visible del espectro solar, como ejemplo basta mencionar a los óxidos In1-xNixTaO4, CaIn2O4, InVO4 y Bi2MoO6.1-5 Desde el punto de vista tecnológico, la fotocatálisis heterogénea se encuentra actualmente en una fase temprana de investigación y desarrollo tecnológico. No obstante, existen dispositivos comerciales que operando bajo este principio son utilizados para la purificación de aire, principalmente en la eliminación de óxidos de nitrógeno (NOx) y de compuestos orgánicos volátiles (VOC´s) presentes en interiores de oficinas, casas y automóviles. Asimismo, el desarrollo comercial de superficies autolimpiantes como ventanas y piezas cerámicas, así como cubiertas de focos de alumbrado que operan por la presencia de un fotocatalizador es una realidad.6 Aunque notables avances se han reportado en el empleo de la fotocatálisis heterogénea para la remoción de contaminantes en medio acuoso, el camino a recorrer para su aplicación en grado masivo de volumen y empleo de radiación solar aún es largo. 18 Entre los principales problemas a los que se enfrenta la aplicación de la fotocatálisis heterogénea en medio acuoso se encuentran la dificultad en el manejo de grandes volúmenes de agua, un proceso efectivo de separación del fotocatalizador del medio una vez concluido el proceso, así como la necesidad de aumentar la eficiencia fotocatalítica del semiconductor preparado. En contraparte, el uso de esta herramienta tecnológica presenta la ventaja de requerir una fuente de energía gratuita e inagotable como lo es la energía solar, el tratarse de un proceso no selectivo para la oxidación y mineralización de prácticamente cualquier compuesto orgánico, así como su aplicación en niveles de concentración de contaminantes donde otras técnicas son inoperantes. En las reacciones fotocatalíticas existen factores que pueden influir de manera positiva o negativa para que éstas se puedan llevar a cabo de manera eficiente. Es precisamente objeto de estudio de la presente investigación el atender a estos factores para la consecución y desarrollo de un fotocatalizador con alta eficiencia en procesos de remoción de contaminantes en medio acuoso. La presente propuesta incluye la selección de un semiconductor (PbMoO4) y la modificación de sus propiedades fisicoquímicas para potenciar su actividad fotocatalítica en reacciones de degradación de colorantes orgánicos. Lo anterior mediante el empleo de diversas rutas de síntesis química que emplean diferentes condiciones de tratamiento térmico/enfriamiento para la preparación de óxidos semiconductores con propiedades morfológicas y texturales diferentes que incidan en la actividad fotocatalítica del material. EXPERIMENTACIÓN El material PbMoO4 fue preparado en forma policristalina mediante diferentes métodos: reacción en estado sólido (SS), coprecipitación (Cop), hidrotermal (H60), sonoquímica (Sono) y radiación con microondas (MW). Para la preparación del molibdato por el método de reacción en estado sólido se pesaron cantidades en relación estequiométrica apropiada del óxido MoO3 y la sal Pb(NO3)2, se homogeneizaron y la mezcla reactiva se compactó en forma de pastilla por medio de una prensa mecánica. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. Las pastillas fueron calcinadas a 950˚C en un horno eléctrico durante 72 horas. Posteriormente la muestra fue enfriada a temperatura ambiente. Para la síntesis por coprecipitación se utilizaron como precursores Pb(NO3)2 y (NH4)6Mo7O24•4H2O. A partir de dichas sales, se prepararon dos soluciones acuosas. La solución de Pb(NO3)2 fue vertida lentamente gota a gota en la solución de (NH4)6Mo7O24•4H2O manteniendo una agitación vigorosa y originando una suspensión de color blanco. Se ajustó a pH= 11 utilizando NH4OH, manteniendo la suspensión en agitación durante 30 minutos adicionales. Una vez formado el precipitado, éste fue separado por filtración. En la preparación de PbMoO4 mediante el método hidrotermal se utilizaron como reactivos H2MoO4 y Pb(NO3)2, los cuales fueron disueltos en 75 mL de agua desionizada. Posteriormente, la disolución se mantuvo en agitación vigorosa dentro de un baño de ultrasonido y se ajustó a pH= 11 por adición de NH4OH. La suspensión se transfirió a una autoclave de acero inoxidable. El proceso hidrotermal se realizó a 60˚C con una velocidad de calentamiento de 2˚C. min-1 durante 10 minutos. Transcurrido este tiempo, se realizaron varios lavados con agua desionizada al precipitado resultante con el fin de neutralizar el pH (~7) y después se procedió a la evaporación del solvente a 70˚C. En la síntesis del método por sonoquímica se partió de los reactivos H2MoO4 y Pb(NO3)2 y se siguió el procedimiento experimental descrito a detalle previamente.7 Para la preparación de la muestra por radiación con microondas se vertieron 15 mL de etilenglicol anhídrido en un vaso de precipitado y fueron añadidos 5 mmoles de H2MoO4 y de Pb(NO3)2 con agitación constante y se ajustó a pH= 11 utilizando NH4OH. La dispersión de color blanca fue transferida a un equipo de microondas para someterla a un calentamiento mediante la aplicación del 50% de la potencia del horno de 120W durante 20 minutos. Posteriormente, el sólido obtenido fue separado por filtración. La caracterización estructural del óxido PbMoO4 fue realizada por difracción de rayos-X en polvo (DRX) usando un difractómetro Bruker Advanced X-Ray Solution D8 con radiación Kα del Cu (λ= 1.5418 Å). Las mediciones se realizaron en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 un intervalo 2θ de 10° a 60° con un tamaño de paso de 0.05° y un tiempo de 0.05 segundos por cada paso. La banda de energía prohibida (Eg) se determinó mediante espectroscopia de reflectancia difusa (DRS) utilizando un espectrofotómetro Perkin Elmer Precisely Lambda 35 UV/Vis con esfera de integración. El área superficial de los fotocatalizadores fue determinada mediante fisisorción de nitrógeno (método BET) utilizando un analizador Bel-Japan Minisorp II. La morfología de las muestras fue analizada mediante la técnica de microscopía electrónica de barrido (SEM) utilizando un microscopio FEI Nova Nano SEM de bajo vacío con un voltaje máximo de aceleración de 3 kV. Las reacciones de degradación fotocatalítica se llevaron a cabo en un reactor de inmersión de borosilicato con chaqueta de enfriamiento para mantener la temperatura de reacción en 25°C± 1°C. Como fuente de radiación UV fue utilizada una lámpara heterocromática de Xe de 10,000 K. La intensidad de la radiación UV fue de 1,380 μW.cm-2. La actividad fotocatalítica de PbMoO4 se evaluó en la reacción de degradación de los colorantes orgánicos rodamina B (RhB), índigo carmín (IC), naranja G (OG) y naranja de metilo (MO) en solución acuosa, véase figura 1. En un vaso de precipitado se agregaron 200 mL de una solución del colorante orgánico que contenía 200 mg de PbMoO4 y posteriormente se transfirió a un baño de ultrasonido para la eliminación de agregados. Considerando el coeficiente de absorción molar de cada colorante, las concentraciones iniciales fueron 5, 30, 20, y 20 mg. L-1 para RhB, IC, OG y MO, respectivamente. A fin de asegurar que Fig. 1. Estructura molecular de colorantes de distintas familias de compuestos orgánicos. 19 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. el equilibrio de adsorción-desorción del colorante en la superficie de catalizador se hubiera alcanzado la solución se mantuvo en reposo en la oscuridad por 1 h. Después de este tiempo, la lámpara se encendió. Durante la reacción, las muestras se tomaron del reactor a diferentes intervalos de tiempo y luego se analizaron mediante un análisis colorimétrico tomando como referencia el máximo de absorción de cada colorante para determinar su concentración. Se llevaron a cabo experimentos en condiciones ácidas y básicas a pH= 4 y 10 añadiendo HNO3 ó NH4OH, respectivamente. El grado de mineralización fue seguido mediante el análisis del contenido de carbón orgánico total (TOC) de las soluciones con diferentes tiempos de irradiación. Se utilizaron 250 mL de la solución del colorante (50 mg.L-1 para RhB, OG y MO; y 100 mg.L-1 para IC) conteniendo 250 mg de fotocatalizador. Las muestras irradiadas se analizaron en un analizador de TOC Shimadzu VSCN8. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las muestras obtenidas por los diferentes métodos de síntesis fueron caracterizadas estructuralmente mediante difracción de rayos-X en polvo. Los difractogramas obtenidos mostraron la presencia de la fase tetragonal de PbMoO4 sin la presencia de impurezas de acuerdo a la tarjeta JCPDS No. 01-0714910, como se muestra en la figura 2. En particular, la muestra PbMoO4 (MW) presentó la mayor cristalinidad como lo demuestra su Fig. 2. Difractogramas de PbMoO4 obtenidos mediante el método de reacción en estado sólido (SS), coprecipitación (Copp), hidrotermal (H60), sonoquímica (Sono) y radiación con microondas (MW). 20 difractograma con líneas de difracción bien definidas y altas intensidades. La energía de banda prohibida se obtuvo mediante los espectros de reflectancia difusa (DRS), y los valores son mostrados en la tabla I. Todas las muestras obtenidas presentaron un valor de Eg mayor a 3 eV lo cual define que son fotocatalizadores que pueden ser activados mediante radiación UV. Para determinar el área superficial de los materiales sintetizados se realizaron análisis de fisisorción de nitrógeno utilizando el método BET, véase tabla I. La muestra PbMoO4 (SS) fue la que exhibió el menor valor de área debido a que la alta temperatura de síntesis promovió un proceso de crecimiento de partícula mediante un mecanismo de sinterización. Cuando el PbMoO4 fue sintetizado por el resto de los métodos de síntesis, el área superficial del material se incrementó en aproximadamente un orden de magnitud, alcanzando un valor máximo de 5.98 m2.g-1 para PbMoO4 (Sono). Tabla I. Propiedades físicas de PbMoO4 preparado por diferentes métodos de síntesis. Método de Síntesis Temperatura Energía Área de calcinación de banda superficial (°C) prohibida (eV) (m2.g-1) Estado sólido (SS) 950 3.10 0.20 Coprecipitación (Copp) 350 3.16 1.18 Hidrotermal (H60) 70 3.09 2.71 Sonoquímica (Sono) 70 3.19 5.98 Microondas (MW) 70 3.17 2.52 La figura 3 muestra algunas imágenes de SEM representativas de la morfología de las muestras preparadas. De acuerdo al análisis por SEM la muestra (SS) no presentó una morfología definida en particular, con ausencia de aglomerados y de tamaños superiores a 2 μm (3a). La fase obtenida mediante el método de coprecipitación presentó una morfología irregular tipo oval en sus partículas con un tamaño menor al observado para PbMoO4 (SS), del orden de 350 nm (3b). La muestra obtenida mediante el método hidrotermal presentó una morfología de sus partículas en forma octaédrica Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. Fig. 3. Micrografías SEM de las muestras de PbMoO4 (SS) (a), PbMoO4 (Copp) (b), PbMoO4 (H60) (c), PbMoO4 (Sono) (d) y PbMoO4 (MW) (e). o de bipirámide con tamaño de 150-300 nm (3c). Esta morfología es ocasionada por la temperatura y la presión utilizada en el reactor hidrotermal, ya que es capaz de promover el mecanismo de nucleación, agregación y recristalización. En el proceso de coalescencia se incrementó la concentración de partículas, que durante su crecimiento probablemente causó la formación de defectos superficiales en sus caras.8 Las partículas presentaron una orientación preferencial al plano cristalográfico [001], ya que los cristales tendieron a formarse con una mayor velocidad de crecimiento en esa dirección.9 Las partículas obtenidas mediante el método de sonoquímica mostraron una morfología semiesférica utilizando como medio dispersante etilenglicol (EG) (3d). Los efectos físicos del ultrasonido como la cavitación originaron núcleos limitados durante la etapa de crecimiento de las partículas, debido al tiempo de duración de los colapsos de implosión de las burbujas en el líquido (> 1ns). Dicha implosión ocasionó una distribución homogénea en el tamaño de cristal y tamaño de partícula, disminuyendo la formación de aglomerados y obteniendo una morfología definida. La muestra de PbMoO4 (MW) está formada por partículas con una morfología en forma ovalada Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 (3e). La radiación con microondas produjo un calentamiento muy rápido de toda la suspensión que favoreció la nucleación de los cristales alcanzando una distribución de tamaño de partícula homogénea. El EG absorbe las ondas de alta frecuencia, al formarse la fase PbMoO4 también absorbió las microondas produciendo partículas de tamaño homogéneo mediante el mecanismo de Ostwald Ripening.10 En este mecanismo, los centros de nucleación se aglomeran y disuelven generando pequeñas partículas, donde los aglomerados grandes crecen a partir de los aglomerados de partículas más pequeñas, que se disuelven y desaparecen. En la figura 4 se resumen los resultados obtenidos para la degradación de los cuatro colorantes orgánicos utilizando como fotocatalizador PbMoO4 sintetizado por reacción en estado sólido, co-precipitación, hidrotermal, sonoquímica y microondas bajo condiciones ácidas de pH= 4. Dado que los tiempos de vida media obtenidos para naranja de metilo fueron considerablemente grandes con respecto a los del resto de los colorantes, los datos de t1/2 para este colorante fueron divididos entre 2 para ser representados y ser mejor visualizados en la figura 4. Independientemente del método de síntesis, la actividad fotocatalítica de PbMoO 4 para la 21 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. Fig. 4. Tiempo de vida media de los colorantes rodamina B (RhB), índigo carmín (IC), naranja G (OG) y naranja de metilo (MO) utilizando PbMoO4 sintetizado por 5 rutas de síntesis. (*MO = tiempo de vida media dividido entre 2 para una mejor visualización de la figura). degradación de los colorantes fue en la dirección IC > RhB > OG > MO. Este hecho es aún más notable dado que el IC fue el colorante utilizado a una mayor concentración inicial en los experimentos (30 ppm) con respecto a OG y MO (20 ppm) y aún más que con respecto a RhB (5 ppm). La dificultad para degradar OG y MO se puede asociar con la presencia de grupos funcionales azo (-N=N-) en sus respectivas estructuras moleculares, como se muestra en la figura 1. De acuerdo con reportes previos,11 la fotodegradación de un colorante azo está asociada con el rompimiento del enlace -N=Nen una etapa inicial de la reacción. No obstante, este proceso es complicado debido a que la energía promedio del enlace azo es cercano a 420 kJ mol-1, considerablemente mayor al valor de energía de 286 kJ mol-1 requerido para la ruptura del enlace -N-C- en las sucesivas de-etilaciones en el caso de la RhB. Aún bajo esta circunstancia, es a destacar la diferencia en la dificultad de degradar las moléculas de los dos colorantes azo. En este sentido, la presencia de un grupo hidroxi- ligado a un anillo aromático en la molécula de OG puede constituir un punto de ataque para un ataque más efectivo al anillo aromático y su posterior apertura. Por su parte, la mayor velocidad en la degradación de la molécula de IC con respecto a RhB puede correlacionarse con la apertura del anillo aromático en la etapa temprana de la degradación, a diferencia de RhB donde la etapa inicial está dominada por la de-etilación de su molécula. El análisis de los espectros de absorción de ambos colorantes parece soportar esta hipótesis (figura 5), aunque es necesario a futuro un análisis de cromatografía de líquidos acoplado a masas para 22 Fig. 5. Espectros de absorción característico de los colorantes rodamina B (a) e índigo carmín (b) bajo condiciones ácidas en el curso de su degradación en presencia de PbMoO4 (MW). la identificación de intermediarios de reacción y corroborar lo anterior. Analizando la figura 4 desde el punto de vista del método de síntesis, en términos generales para los cuatro colorantes analizados, la actividad de PbMoO4 fue en la dirección de MW > Sono > H60 > Copp > SS. La única excepción a esta secuencia fue la degradación de RhB por PbMoO4 (Sono), donde se observó un descenso notable en la actividad fotocatalítica que no pudo ser justificada con la información experimental disponible. Las condiciones experimentales de la síntesis de PbMoO4 por reacción en estado sólido (SS) impiden que la reacción entre reactivos se dé de manera completa, esto debido a que el crecimiento de la capa del producto entre los dos reactivos elimina la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. interfase reactivo-reactivo obligando a la migración de las especies móviles a recorrer más distancias a través de la estructura cristalina del producto a medida que transcurre el tiempo de reacción. Lo anterior da como resultado un material de naturaleza heterogénea, aunque es importante señalar que por difracción de rayos-X no fue observada la presencia de impurezas (al nivel de resolución de la técnica). Adicionalmente, la alta temperatura empleada durante la síntesis de PbMoO4 produce partículas de tamaño del orden de los 10-50 μm (análisis SEM) lo que conlleva a obtener un material con área superficial muy baja. Por último, el tamaño grande de partícula obtenido para PbMoO4 (SS) dificulta conseguir una buena dispersión en la solución del colorante lo que sin duda afecta el área del fotocatalizador expuesta a la radiación. Por su parte, el método de co-precipitación es susceptible a la obtención de materiales heterogéneos dada la dificultad de la precipitación estequiométrica de las especies participantes al 100%. Esta condición puede afectar ligeramente la estequiometría del óxido y ser la causa de una menor actividad fotocatalítica. Las muestras de PbMoO4 con mayor actividad fotocatalítica (MW>Sono>H60) tienen la característica en común de haber sido preparadas en un medio líquido de reacción, situación que favorece reacciones completas y la obtención de materiales más homogéneos. De las tres muestras mencionadas, H60 fue obtenida sin un tratamiento térmico posterior a la reacción hidrotermal llevada a cabo a 60ºC. Lo anterior conduce a la obtención de un material con baja cristalinidad debido a la temperatura empleada durante su síntesis. La baja cristalinidad puede ser un factor negativo en el proceso fotocatalítco debido a que los defectos en el material pueden actuar como centros de recombinación de cargas. La formación de PbMoO4 (MW) y PbMoO4 (Sono) fue llevada a cabo a temperaturas de reacción locales difíciles de determinar por técnicas convencionales. No obstante, en ambos casos, por la naturaleza de ambos métodos se estiman temperaturas locales altas por lapsos de tiempo cortos, así como procesos de enfriamiento muy rápidos. Estos factores pueden promover un material con alta cristalinidad, con una baja concentración de defectos que ayude a evitar la indeseable recombinación de cargas durante el proceso fotocatalítico. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Para ambas muestras, MW y Sono, el análisis por SEM reveló la presencia de partículas pequeñas y discretas, poco propensas a la aglomeración, lo que sin duda facilita una mejor dispersión del fotocatalizador en la solución del colorante y una mayor área de exposición a la radiación de la lámpara. En este punto es importante remarcar la diferencia existente entre el área expuesta de un catalizador y la de un fotocatalizador. En el primer caso existe una relación directamente proporcional entre área superficial y concentración de sitios activos en la superficie del catalizador, mientras que para un fotocatalizador es necesario que exista una buena iluminación, en la mayor parte del tiempo, en todos los sitios para hacerlos activos al proceso. La eficiencia en el aprovechamiento de la irradiación que incide sobre las partículas del fotocatalizador depende principalmente de la morfología y el tamaño de las partículas irradiadas, en relación con la longitud de onda y la distancia a la partícula. Estos factores pueden operar para determinar las diferentes actividades fotocatalíticas observadas entre PbMoO 4 (MW) y PbMoO 4 (Sono). Las partículas PbMoO 4 (Sono) son las de menor tamaño con una morfología semiesférica pero presentan a su vez más aglomerados que PbMoO4 (MW). Las partículas de PbMoO4 (MW) son partículas de tamaño intermedio, con una distribución homogénea y morfología ovalada, dichas propiedades físicas podrían estar operando para aumentar la intensidad de la luz dispersa. Así, una mejor dispersión de la radiación por parte de las partículas de PbMoO4 (MW) produce una mayor iluminación en promedio de las partículas del óxido, situación que podría permitir la optimización de la radiación incidente para el proceso fotocatalítico para esta muestra. Se realizaron experimentos consecutivos de degradación de IC utilizando de manera representativa al fotocatalizador PbMoO4 (H60), con la finalidad de determinar la estabilidad del fotocatalizador ante sucesivos ciclos de uso. La figura 6 muestra la estabilidad de PbMoO 4 (H60) para 4 usos consecutivos del fotocatalizador en la degradación de IC, como se desprende del perfil de las curvas y del hecho que se mantuvo la eficiencia del mismo 23 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. para alcanzar un t1/2 de 16 min. Posteriormente se analizó el fotocatalizador por difracción de rayos-X antes y después de su uso durante cuatro ciclos, como es mostrado en la figura 6b y 6c, confirmándose nuevamente la estabilidad de PbMoO4. Finalmente, se determinó la lixiviación de iones de Pb del catalizador PbMoO4 durante la reacción fotocatalítica mediante la espectroscopía de absorción atómica. El análisis de la solución acuosa separada del fotocatalizador mediante centrifugación reveló que la concentración de iones de Pb es menor a 0.10 mg.L-1 (límite de detección del equipo) después de 4 horas de irradiación, lo cual satisface el estándar de descarga industrial de aguas residuales TCVN 5945. La decoloración total de la solución del colorante orgánico no indica su descomposición a intermediarios no tóxicos, menos aún su mineralización total. Como es bien sabido, la decoloración indica la destrucción de los grupos cromóforos, que son la parte de la molécula capaz de absorber luz visible para emitir diversos colores pero no da indicios del grado de conversión de la molécula compleja del colorante Fig. 6. Pruebas de estabilidad en la degradación fotocatalítica del índigo carmín utilizando como fotocatalizador PbMoO4 (H60). 24 a CO2, H2O y otras especies iónicas solubles. Para este propósito se realizó un análisis de carbón orgánico total (TOC) a muestras de colorante expuestas a diferentes tiempos de irradiación UV en presencia de PbMoO4, véase la figura 7. Como una tendencia natural del sistema, la degradación de RhB por los cuatro fotocatalizadores exhibió un alto grado de mineralización durante las primeras 24 h de irradiación de la dispersión con luz UV, para posteriormente estabilizar el TOC durante las siguientes 72 h. Este fenómeno puede ser explicado por la formación de intermediarios en las reacciones iniciales que producen la decoloración de la solución, pero cuya naturaleza recalcitrante frena el proceso de mineralización. En los colorantes IC y OG se observó un comportamiento similar al detallado para el caso de RhB, donde la mayor mineralización se alcanzó durante las primeras 24 h de irradiación UV, hasta obtener subproductos recalcitrantes los cuales frenaron la mineralización en etapas intermedias de la mineralización del colorante. Cabe mencionar que para las muestras PbMoO4 (Copp) y PbMoO4 (Sono) la mineralización de OG no fue detenida del todo a las 24 horas de irradiación UV observándose un ligero descenso en la concentración para tiempos posteriores. Los resultados obtenidos para la mineralización de MO merecen mención aparte, y fueron caracterizados por dos comportamientos bien definidos. En un tipo de comportamiento, la mineralización del colorante se hizo de manera gradual y con un pequeño grado de conversión a lo largo de las 96 h del experimento cuando se utilizaron como fotocatalizadores PbMoO4 (Copp) y PbMoO4 (Sono). Lo anterior indica el grado recalcitrante del colorante, así como de los intermediarios primarios formados, situación que está acorde con lo observado durante los experimentos de decoloración de MO. En un segundo tipo de comportamiento, observado en PbMoO4 (H60) y PbMoO4 (MW), la mineralización se conduce de manera lenta y similar a la observada para el otro par de fotocatalizadores, pero variando abruptamente después de 72 h. Esto no sólo indica un mayor grado de conversión de MO para PbMoO4 (H60) y PbMoO4 (MW), sino una mayor velocidad de reacción. Lo anterior puede prever un comportamiento similar para PbMoO4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. (Copp) y PbMoO4 (Sono) para más allá de las 96 h de irradiación UV. No obstante, el descenso abrupto a las 72 h en la mineralización de MO por PbMoO4 (H60) y PbMoO4 (MW) se ve nuevamente frenado para tiempos más largos debido a la oxidación a compuestos más estables. Fig. 7. Contenido en carbón orgánico total (TOC) de los contaminantes orgánicos utilizando PbMoO4 como fotocatalizador obtenido mediante coprecipitación (a), hidrotermal (b), sonoquímica (c) y radiación de microondas (d). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 CONCLUSIONES En el presente trabajo de investigación se propone al óxido semiconductor PbMoO4 como potencial fotocatalizador en la reacción de fotodegradación de colorantes orgánicos en medio acuoso bajo radiación UV. Partiendo de la hipótesis de que la modificación de las propiedades fisicoquímicas del óxido puede potenciar su capacidad como fotocatalizador, se han propuesto 5 métodos de síntesis para revisar esta posibilidad. Los resultados mostraron una notable diferencia en la actividad de PbMoO4 en función del método de síntesis, observándose que la actividad fotocatalítica sigue la dirección MW > Sono > H60 > Copp > SS. La naturaleza de los métodos de síntesis, y por ende el tipo de material que produjeron (homogeneidad del material, tamaño de partícula, área superficial, morfología) son los factores que determinaron este orden de actividad fotocatalítca. Los mejores resultados mostraron la capacidad de la muestra MW para reducir el tiempo de vida media de los colorantes rodamina B, índigo carmín y naranja G de 100, 87 y 223 min hasta sólo 7 min en los tres casos. Por un lado, esto muestra la versatilidad de PbMoO4 para actuar efectivamente ante diferentes familias de compuestos orgánicos; y por otro lado, la efectividad del fotocatalizador al reducir el t1/2 a valores más que competitivos para pensar en una potencial aplicación tecnológica. Independientemente del método de síntesis, la actividad fotocatalítica de PbMoO 4 para la degradación de los colorantes fue en la dirección IC > RhB > OG > MO. La dificultad para degradar OG y MO se puede asociar con la presencia de grupos funcionales azo (-N=N-) en sus respectivas estructuras moleculares y con la formación de compuestos intermediarios estables en el curso de la reacción. El grado de mineralización alcanzado para los cuatro colorantes estudiados, así como la estabilidad 25 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. del fotocatalizador ante sucesivos ciclos de uso y su insolubilidad en el medio de reacción son factores que justifican su potencial aplicación en procesos de purificación de agua. A la luz de los resultados obtenidos, como trabajo futuro se vislumbra buscar las condiciones experimentales para preparar PbMoO4 en forma de película delgada y evaluar su actividad ante un mayor espectro de especies orgánicas contaminantes (fármacos, insecticidas y plaguicidas) en aras de encaminar la posible aplicación comercial del semiconductor. REFERENCIAS 1. R. Jain, M. Mathur, S. Sikarwar, A. Mittal, Removal of the hazardous dye rhodamine B through photocatalytic and adsorption treatments, J. Environmental Management 85 (2007) 956. 2. Z. G. Zou, J. H. Ye, K. Sayama, H. 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PALABRAS CLAVE Cemento Portland, fibra de fique, resistencia a compresión, resistencia a flexión. ABSTRACT The use of natural fibers in concrete reinforcement is rare even more than fiber-reinforced concrete with sisal fiber. The aim of this work is find alternative materials that mitigate the environmental impact by using a byproduct of the fique industry called residue or tow; to analyze the effect produced by the addition of sisal fiber to compressive and bend strength of concrete; and give an application according to the results obtained from the tests. KEYWORDS Portland cement, sisal fiber, compressive strength, flexural strength. INTRODUCCIÓN Hoy en día se ha desarrollado aún más la posibilidad de obtener nuevas alternativas pensando en lo ambiental y en lo natural incentivando el desarrollo social y económico reduciendo costos en los procesos para así garantizar sostenibilidad a las generaciones futuras. Uno de los elementos que perdura en el tiempo y no permite cambios drásticos en sus cuatro componentes principales, agregado fino (arena), agregado grueso (piedras gradadas), agua y material aglutinante (cemento Portland) conformando el material estructural más extraordinario y utilizado en el mundo de la construcción, el concreto u hormigón, con una serie de propiedades mecánicas como lo es su alta resistencia a la compresión, dureza, manejabilidad a la aplicación, y no tan buen comportamiento Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 27 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis a la flexión, por poseer limitaciones como una alta fragilidad, baja capacidad de deformación o arqueamiento antes de las fisuras y rompimiento en las vigas. Una opción adoptable para superar estas restricciones es la implementación, introducción y preparación de fibras al concreto: fibras sintéticas, fibras de asbesto, fibras de vidrio y las fibras de acero en la construcción civil con el propósito de disminuir la fragilidad que singulariza a este material y exponiendo una resistencia secundaria seguida a las fisuras por medio de la unión de las fibras con la matriz del concreto. Cada vez toma más fuerza la idea de utilizar concretos reforzados con fibras ya sean metálicas, sintéticas o naturales, como la del caso de la fibra de fique usándose como insumo para la elaboración del concreto y morteros. En Colombia, por ser un país productor e impulsor del sector fiquero, se toma la decisión de hallarle mayor utilidad a este material en la industria de la construcción, puntualmente en la fabricación del concreto en diferentes estructuras y procesos constructivos; aprovechando la producción de la fibra sostenible y amigable con el medio ambiente por tratarse de cultivo e industrialización de bajo impacto ambiental, además de fomentar el crecimiento del campesinado colombiano, contribuyendo al desarrollo económico y social de los dos sectores involucrados. La utilización de fibras en la construcción no es nueva, pues nuestros antepasados usaban paja y pasto en el barro para mayor adherencia ya fuera en los muros o en mismo bloque de arcilla, en este caso se analiza y evalúa el comportamiento del concreto con la adición de la fibra de fique, para saber si aporta favorablemente a las propiedades de compresión y flexión del concreto, la adición de fibra de fique y en efecto encontrar un uso específico de acuerdo a los resultados obtenidos, teniendo en cuenta las características de los concretos: economía, resistencia, durabilidad y fácil aplicación. MATERIALES Y MÉTODOS Localización El trabajo de investigación se realizó en los laboratorios de la Universidad Piloto de Colombia – Seccional Alto Magdalena, a una temperatura aproximada de 33 ºC. 28 Materiales El fique es una planta nativa de la América tropical, especialmente de la región andina de Colombia y Venezuela, luego se fue expandiendo hacia las Antillas y hacia la costa oriental del Brasil. Esta planta pertenece al género Furcraea de donde comprenden cerca de 20 especies diferentes de donde se extrae de sus hojas fibra textil conocida popularmente como fique. Biológicamente es distinta del género Agave con la que suele confundirse frecuentemente.1 El Fique (Fourcroiaspp.), es una planta grande, de tallo erguido, su altura varía entre 2 y 7 m, densamente poblado de hojas de color verde, en forma radial, largas (1 a 3 m), angostas (10 y 20 cm), carnosas, puntiagudas, acanaladas, y dentado espinosas, en algunas variedades, presentando líneas o estrías tenues de unos 3 mm de largo (figura 1); Fig. 1. Planta de Fique. www.veoverde.com/2009/07/fibra-de-fique/ las plantas jóvenes consisten en un rosetón de hojas gruesas, carnosas de color verde azuloso, a medida que la planta crece, se desarrolla en la base un tronco corto que lleva de 75 a 100 hojas cuya longitud varía de 150 a 200 cm y su anchura de 15 a 20 cm en la parte más ancha cerca de la mitad, angostándose a 10 cm cerca de la base, la cual tiene un espesor de 6 a 8 cm. Su flor es de color blanco verdoso, llamada maguey o escapo, sólo florece una vez en su ciclo de vida y luego le sobreviene la muerte (magueciada). Las semillas germinan en la misma planta y sus propáguelos (bulbillos) caen ya formados al suelo por lo que se considera al fique una planta vivípara. 2 Pueden encontrarse plantas con más de 50 años de edad, pero su período típico de vida varía entre 10 y 20 años. Poseen gran cantidad de raíces que se Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis expanden y enraízan profundamente haciéndola una planta anti-erosiva. Su vida útil (producción de fibra, jugos, etc.) comienza entre los 3 y 6 años, dependiendo de las condiciones que enfrente.3 La fibra extraída apenas constituye un 4% máximo del peso total de la hoja. Esta fibra muestra propiedades mecánicas dadas en la tabla I,1 también constituye la estructura principal de las paredes celulares del tejido vegetal y está compuesta por celulosa, y algunas impurezas como ligninas y pigmentos (tabla II).1 Cada filamento está constituido por fibrillas elementales soldadas entre sí por una goma (lignina). Los extremos de las fibrillas se sobreponen para formar filamentos multicelulares a lo largo de la hoja y son éstos los que conforman la fibra de fique. Tabla I. Propiedades mecánicas de la fibra de fique. Propiedades Promedio Mínimo Máximo Resistencia a la tensión (MPa) 305.15 200.00 625.20 Módulo de elasticidad (Gpa) 7.52 5.50 25.50 Porcentaje de elongación a la fractura (%) 4.96 3.20 5.70 Tabla II. Composición química de la fibra de fique. Cenizas 2.60% Fibras 1.58% Pentosas 17.65% Lignina 12.00% Celulosa 62.70% La fibra de fique utilizada en la investigación fue adquirida en Rionegro (Antioquia), se cortó en fracciones de 6 cm (figura 2) tomando la recomendaciones del subgrupo de fibras de la Secretaria Técnica del Comité de Concreto del Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC). Con base en la experiencia internacional se categoriza el fique como macrofibra y se recomiendan longitudes variables entre 13 mm y 70 mm y proporciones comprendidas entre 9 y 18 kg/m3, se decide utilizar cuatro porcentajes de adición de fibra de fique, 0.5%, 1.0%, 1.5% y 2.0% del peso del agregado fino, encontrándose dentro de este rango. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Fig. 2. Tamaño de la fibra de fique. El concreto se hizo a partir de mezclas especificadas para 14 MPa (2000 psi), 17.5 MPa (2500 psi), 21 MPa (3000 psi), 24.5 MPa (3500 psi) y 28 MPa (4000 psi). Los agregados utilizados en las distintas mezclas fueron adquiridos en la trituradora “Agregados Nacionales”, ubicada en el municipio del Guamo, Departamento del Tolima. Este material es extraído del río Saldaña y llevado a la planta, que es la encargada de efectuar su trituración. Teniendo los materiales listos para ser mezclados en una pasta homogénea, son vertidos a una mezcladora con capacidad para ½ bulto o 25 Kg de cemento (figura 3). Fig. 3. Mezcla del concreto y adición de fibra de fique. 29 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Una vez obtenida la mezcla y antes de ser vaciada en los cilindros se realiza la prueba del slump o asentamiento el cual se le hace a las mezclas que no contienen fibra de fique, el asentamiento resultante es de 7,5 cm. (figura 4). moldes de cilindros y vigas (figura 5), para realizar ensayos a compresión y a flexión, para así determinar la resistencia del concreto convencional y del concreto con adición de fibra de fique. Fig. 5. Concreto vaciado en moldes de cilindros y vigas La mezcla se vacía en moldes y se deja fraguar, los ensayos de resistencia a compresión se realizaron a 6 cilindros por cada diseño, 2 a los 7 días, 2 a los 21 días y 2 a los 28 días, por otra parte para los ensayos a flexión se realizaron 2 vigas por cada diseño a los 28 días. Los resultados obtenidos de los ensayos se promediaron para así determinar el resultado final. Culminadas las pruebas, se organizó la información obtenida para efectuar el análisis de los resultados y así concluir si en realidad la adición de fibra de fique mejora o no la resistencia y las propiedades mecánicas del concreto hidráulico. Etapa III. Después de los análisis de resultados y de la información se determinó un porcentaje óptimo con el cual se tomaron nuevas pruebas de resistencia a compresión y flexión a un solo diseño de mezcla para evaluar las propiedades mecánicas del concreto hidráulico con la nueva adición del porcentaje de fibra de fique. DISEÑO METODOLÓGICO Etapa I. Consiste en la recolección de información como antecedentes, teoría y proyectos relacionados con esta investigación. Luego se dispuso a buscar la obtención de los materiales para la elaboración de la mezcla, determinando el asentamiento, tamaño máximo y nominal del agregado, contenido de agua, cemento y los agregados de gruesos y finos, 4 para proseguir con la dosificación de fibra de fique a emplear y fabricar las muestras en forma de cilindros para la compresión y en forma de vigas para la flexión. Etapa II. En esta etapa se realizaron las pruebas de laboratorio donde se vació concreto convencional y concreto con adición de fibra de fique en diferentes porcentajes, reemplazando el agregado fino, en ANÁLISIS DE RESULTADOS Resistencia a la compresión En el laboratorio de estructuras de la Universidad Piloto de Colombia seccional Alto Magdalena se realizaron los ensayos a compresión y flexión de los modelos de concreto fabricados con y sin adición de fibra de fique. Las medidas de los cilindros es de 0.30 m de alto x 0.15 m de diámetro (figura 6). La resistencia que presentan las muestras de concreto con adición de fibra de fique para 14 MPa (2000 psi) tabla III, alcanzan su mayor valor en el fique al 1.0% en los períodos de 7, 21 y 28 días con respecto a los demás porcentajes de fique. El dato más alto se da en el período de los 28 días con 8.08 MPa (1154 psi) que corresponde a un 58%, con un 48% por debajo de diseño de mezcla y a un Fig. 4. Ensayo del slump o asentamiento. 30 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Fig. 6. Preparación de cilindros para ensayo a compresión. Tabla III. Resultados de los ensayos a compresión del concreto 14 MPa (2000 psi). Edad de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 1061 7.42 53% Fique al 0.5% 366 2.56 18% Fique al 1.0% 856 6 43% Fique al 1.5% 143 1 7% Fique al 2.0% 121 0.847 6% Concreto convencional 1609 11.3 80% Fique al 0.5% 533 3.73 27% Fique al 1.0% 1030 7.21 51% Fique al 1.5% 189 1.32 9% Fique al 2.0% 250 1.75 12% Concreto convencional 2043 14.30 102% Fique al 0.5% 555 3.89 28% Fique al 1.0% 1154 8.08 58% Fique al 1.5% 205 1.44 10% Fique al 2.0% 260 1.82 13% 50% por debajo de la resistencia que presentó el concreto convencional a un total de 102%. Se destaca que los cilindros fallan en su mayoría en una forma diferente a la fractura presentada por los cilindros de concreto convencional, debido a que el fique se adhiere a la matriz haciendo que no sea explosiva su Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 deformación, al contrario de la falla de los cilindros de concreto convencional pues estos estallan y fallaron en un ángulo de 45° (figura 7). En segundo lugar, la muestra con adición de fique con mejor comportamiento a la compresión es el que tiene porcentaje del 0.5% alcanzando a los 28 días unos 3.89 MPa (555 psi) que corresponde a un 28% del diseño de mezcla. La adherencia de la fibra de fique ayuda a que la deformación de la muestra sea lenta y progresiva, con deformación en grietas verticales en los extremos del cilindro. Los especímenes con aditivo del 1.5% de fibra de fique con un alcance del 10% que corresponde a 1.75 MPa (250 psi) y 2.0% de fibra de fique con un alcance del 13% que corresponde a 1.82 MPa (260 psi) de fibra de fique presentaron las resistencias más bajas. Las deformaciones suceden en forma de esponja y no hay desprendimiento de matriz, pues la fibra impide que ocurra. En el caso del diseño de 17.5 MPa (2500 psi), tabla IV, el porcentaje de fibra de fique, que más se acerca al diseño es el de 0.5% dominando los tres períodos de 7, 21 y 28 días, con un 76% de resistencia que corresponde a 13.37 MPa (1910 psi) en el último período, con un 24% por debajo del diseño de mezcla y a un 51% por debajo de la resistencia de los especímenes de control alcanzando un valor de 22.16 MPa (3166 psi) equivalente al 127%. La falla de estos cilindros se presenta de forma similar a los especímenes de control en ángulo de 45°, sin presentar estallido repentino como lo es el caso de los especímenes de concreto convencional. 31 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Fig. 7. Rotura a compresión de concreto sin adición de fibra de fique (izquierda) y con adición de fibra de fique (derecha). Tabla IV. Resultados de los ensayo a compresión concreto 17.5 MPa (2500 psi). Tiempo de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 2117 14.82 85% Fique al 0.5% 1369 9.6 55% Fique al 1.0% 800 5.6 32% Fique al 1.5% 758 5.31 30% Fique al 2.0% 92 0.64 4% Concreto convencional 2800 19.6 112% Fique al 0.5% 1692 11.84 68% Fique al 1.0% 964 6.75 39% Fique al 1.5% 761 5.33 30% Fique al 2.0% 106 0.74 4% Concreto convencional 3166 22.16 127% Fique al 0.5% 1910 13.37 76% Fique al 1.0% 1085 7.60 43% Fique al 1.5% 1531 10.42 61% Fique al 2.0% 89 0.62 4% Le sigue en resistencia el porcentaje del 1.5% con un 61% que equivale a 10.72 MPa (1531 psi) a los 28 días, pero estando por debajo en los períodos de 7 días y 21 días de la adición del 1.0%. La 32 deformación en el momento de la falla se presenta en forma de grietas en los extremos del cilindro, pues la fibra ayuda a que la matriz se deforme lenta y progresivamente. Le prosigue la resistencia de la adición de fibra de fique del 1.0% con un 43% que corresponde a 7.6 MPa (1085 psi.) El fallo ocurrió en forma diferente que la que se acostumbra observar con una adherencia considerable de la fibra de fique a la matriz del concreto. De último se encuentra la resistencia presentada por el porcentaje más alto de 2.0% que muestra un 4% en los tres períodos sin variación significativa en resistencia. En cuanto al fallo en la prensa hidráulica se da en forma de grietas tomando consistencia de esponja. En el caso de 21 MPa (tabla V) la resistencia que se acerca al diseño es la adición del 0.5% con un 67% que corresponde a 13.97 MPa (1995 psi), por debajo de un 33% del diseño de mezcla y por debajo de la resistencia presentada por los cilindros de control a un 55% que le correlaciona a unos 25.70 MPa (3671 psi). La falla en la prensa ocurre en ángulo de 45° muy similar a la falla en los cilindros de control, con una adherencia apenas perceptible por la fibra de fique a la matriz del concreto. Le sigue el porcentaje de adición de 1.0% con un 39% que equivale a 8.14 MPa (1163) psi de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Tabla V. Resultados de los ensayos a compresión concreto 21 MPa (3000 psi). Tiempo de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado Tabla VI. Resultados de los ensayos a compresión concreto 24.5 MPa (3500 psi). Tiempo de curado Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 2704 18.93 77% Fique al 0.5% 1083 7.6 31% Fique al 1.0% 193 1.35 6% 6% Fique al 1.5% 257 1.8 7% 4% Fique al 2.0% 250 1.75 7% 83% Concreto convencional 3446 24.12 98% Fique al 0.5% 1428 10 41% Fique al 1.0% 226 1.58 6% (PSI) MPa Concreto convencional 2490 17,43 Fique al 0.5% 1642 11,49 55% Fique al 1.0% 938 6,57 31% Fique al 1.5% 168 1,18 Fique al 2.0% 108 0,76 83% 7 Días Concreto convencional 2484 17,39 Fique al 0.5% 1995 13,97 66% Fique al 1.0% 1045 7,32 35% Fique al 1.5% 158 1,11 5% Fique al 1.5% 402 2.81 11% Fique al 2.0% 105 0,74 3% Fique al 2.0% 242 1.69 7% Concreto convencional 3671 25,70 122% Concreto convencional 3643 25.50 104% Fique al 0.5% 1995 13,97 67% Fique al 0.5% 1425 10 41% Fique al 1.0% 1163 8,14 39% Fique al 1.0% 210 1.47 6% Fique al 1.5% 187 1,31 6% Fique al 1.5% 454 3.18 13% Fique al 2.0% 117 0,82 4% Fique al 2.0% 282 2 8% resistencia a los 28 días, con un 61% debajo del diseño de mezcla y debajo de la resistencia de los especímenes de control a un 83%. Presentó la falla en forma diferente en sus extremos a la que por lo regular se observa en el concreto convencional, con una adherencia de la fibra de fique evidente, pues no deja que la matriz del concreto estalle como el concreto convencional. La adición de 1.5% y 2.0% genera resistencias muy bajas en los tres períodos. La cantidad de fibra de fique es suficiente para que falle en forma de esponja generando una resistencia irrisoria, la adherencia de la fibra la matriz del concreto, es alta ya que no deja que se desprenda del conjunto. La resistencia a compresión para el diseño de 24.5 MPa (3500 psi), tabla VI, que más se acerca es la de adición de fibra de fique de 0.5% con un 41% que corresponde a 10 MPa (1428 psi), situándose por debajo del diseño de mezcla a in 59% y debajo a un 63% de la resistencia presentada por los cilindros de control a un 104% que le corresponde a 25.5 MPa (3643 psi). La falla se da en forma de 45° en el Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 21 Días 28 Días tercio medio del espécimen con una adherencia de la fibra apenas apreciable para que la falla no estalle abruptamente. Para las adiciones restantes de un 1.0%, 1.5% y 2.0% las resistencias obtenidas en la prensa hidráulica son similares e irrisorias apenas superando el de 2.0% al de 1.5% en 5 puntos porcentuales y superando a de 1.0% en 7 puntos porcentuales. Las fallas se presentan de forma semejante con grietas en los extremos y adherencia de la fibra a la matriz del concreto haciendo que se torne esponjoso. En el diseño de mezcla para 28 MPa (4000 psi), tabla VII, es donde se alcanza mayor dato que le corresponde al porcentaje de 0.5% de adición de fique para un 77% con 21.46 MPa (3065 psi) de resistencia a los 28 días, poniéndose a un 23% del diseño de mezcla y a un 33% de la resistencia de las muestras de control que alcanzaron unos 110% con 30.93 MPa (4419 psi). Su comportamiento en la falla se da en forma de 45° con adherencia de fibra de fique en la matriz que permite que el concreto no estalle abruptamente. 33 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Tabla VII. Resultados de los ensayo a compresión concreto 28 MPa (4000 psi). Tiempo de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 3060 21.42 76% Fique al 0.5% 2384 16.7 60% Fique al 1.0% 739 5.17 18% Fique al 1.5% 1061 7.43 27% Fique al 2.0% 228 1.60 6% Concreto convencional 4038 28.27 101% Fique al 0.5% 2900 20.3 72% Fique al 1.0% 115 0.81 29% Fique al 1.5% 502 3.51 13% Fique al 2.0% 465 3.26 12% Concreto convencional 4419 30.93 30,93 Fique al 0.5% 3065 21.46 77% Fique al 1.0% 1152 8.06 29% Fique al 1.5% 1219 8.53 30% Fique al 2.0% 542 3.79 14% Las muestras con aditivo al 1.0%, 1.5% y 2.0% no superan el 30% de resistencia comparados con el diseño de mezcla y teniendo cambios muy pequeños en los tres períodos evaluados, siendo el de 2.0% la resistencia más baja. Se presenta la falla en forma distinta como ha sucedido en casos anteriores para los porcentajes del 10% y 1.5% y de grietas en los extremos para el de 2.0% en forma de esponja, la adherencia es similar para las muestras mencionadas, pues la fibra no deja que la matriz del concreto se separe después de fallar. Después de observar el comportamiento de las pruebas y determinar que las muestras que más se acercan al diseño de 28 MPa (4000 psi) son los de menor porcentaje de adición de fique. Se tomó la decisión de hacer un nuevo ensayo, consistente en adicionar un 0.3% de fibra de fique a la pasta de concreto, arrojando pruebas muy satisfactorias, incluso superando el diseño de mezcla, pero por debajo de la resistencia de las muestras de control con excepción del período de los 7 días en donde 34 superó en 23.96 MPa (3423 psi) con un 10% más que la arrojada por el espécimen de control a ese período. Demostrando que en este caso, estos porcentajes de adición de fique, el concreto da una resistencia inicial excelente. A los 21 días alcanzó un 95% con 26.65 MPa (3807 psi) apenas con un 6% por debajo del concreto de control que presento 101% con 28.27 (4038 psi) y a los 28 días la resistencia llegó a 104% superando el diseño y apenas con un 6% por debajo de la resistencia mostrada por los cilindros de control. La falla es similar a los cilindros de control en forma de 45° y grietas verticales en el tercio medio, observándose adherencia de la fibra de fique con la matriz haciendo que el concreto no estalle de forma abrupta como es el caso de los cilindros con concreto convencional. RESISTENCIA A LA FLEXIÓN Se realizaron los ensayos de resistencia a la flexión de las muestras tomadas del concreto con y sin adición de fibra de fique. Las dimensiones de las vigas son 0.15 m x 0.15 m x 0.53 m (figura 8). Fig. 8. Rotura a flexión de concreto con adición de fibra de fique. Los datos arrojados por las pruebas en laboratorio para la flexión (tablas VIII a X), se destacan por mantenerse por debajo del 17% 2.36 MPa (11.6 Módulo de Rotura, M.R.) en los cinco diseños de mezcla, mientras que las muestras de concreto convencional superan el diseño de mezcla con un buen margen. Las vigas que alcanzaron la más alta resistencia son la de diseño de 14 MPa con un 17% 2.36 MPa (11.6 M.R), seguida por la viga de diseño de 28 MPa con un 16% (4.5 MPa) (16 M.R), siguiendo el diseño de17.5 MPa con 16% (2.9 MPa) (12.8 M.R) le sigue el diseño de 21 MPa Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Tabla VIII. Concreto convencional y concreto con adición de fibra de fique 28 MPa (4000 PSI). Tiempo de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 3060 21.42 76% Fique al 0.3% 3423 23.96 86% Concreto convencional 4038 28.27 101% Fique al 0.3% 3807 26.65 95% 28 Días 4419 30.93 110% Fique al 0.3% 4152 29.06 104% Tabla IX. Concreto convencional y concreto con adición de fibra de fique (14 MPa (2000 psi), 17.5 MPa (2500 psi), 21 MPa (3000 psi), 24.5 MPa (3500 psi) y 28 MPa (4000 psi). Tiempo de curado Resistencia Diseño % F‘c MPa Alcanzado (psi) Concreto 14 MPa 29.1 2113 14,8 106% psi fique al 1.5% 11.6 2,36 17% 32.4 2625 18,4 105% fique al 1.5% 12.8 2,9 16% Concreto 21 MPa 38 3611 25,3 120% fique al 1.5% 9.3 215 Concreto 17.5 MPa 28 Días M.R. Concreto 24.5 MPa 337 410 1,51 41.5 4300 30.1 fique al 1.5% 8.3 Concreto 28 MPa 44.1 4871 34.1 fique al 1.5% 16 174 7% 123% 1,22 640 4,5 5% 122% 16% Tabla X. Concreto convencional y concreto con adición de fibra de fique 48 MPa (4000 psi). Tiempo de curado 28 Días Resistencia Diseño M.R. %Alcanzado F‘c MPa (psi) Concreto 28 44.1 4871 34.1 MPa 122% fique al 0.3% 110% 42 4412 31 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 con un 7% (1.51 MPa) (9.3 M.R) y en último lugar, la resistencia presentada por el diseño de 24.5 MPa con un 5% (1.22 MPa) (8.3 M.R). Las muestras en su totalidad fallaron en el tercio medio como las vigas de concreto convencional, la adherencia de la fibra de fique a la matriz de concreto es mínima ya que al fallar se desprende con facilidad quedando expuesta en forma de pelos en toda la sección transversal exhibida por la ruptura. De la misma manera que en las muestras para los ensayos a compresión, las vigas para la flexión de diseño de mezcla a 28 MPa, son los que poseen mejor comportamiento mecánico, en este caso alcanza un 17% (2.36 MPa) (11.6 M.R). Se tomó la decisión de hacer un nuevo ensayo con el mismo diseño a 28 MPa con modificación en la adición de fibra de fique en un porcentaje total de un 0.3% al igual que el ensayo a compresión, en donde presenta un excelente comportamiento, pues las vigas superan a los 28 días en un amplio margen al diseño, llegando a un 110% (31 MPa) (42 M.R), pero estando aún por debajo de la resistencia presentada por los especímenes control que alcanzó 122% para (34.1 MPa) (44.1 MR). La falla ocurre al igual que en las vigas de control en el tercio medio, la adherencia de la fibra de fique a la matriz del concreto es buena pero la fibra no es suficientemente fuerte para mitigar la fractura principal, sin embargo es suficiente para controlar que en la fractura no ocurra desprendimiento de la matriz del concreto. CONCLUSIONES Resistencia a compresión Se determinó mediante las pruebas realizadas en la investigación que un porcentaje óptimo para la adición de fibra de fique al concreto es de un valor cercano a 3.3 Kg/m3 de concreto o 0.3% de peso con respecto al agregado fino. Los contenidos de fibra de fique adicionados al concreto no causan ni producen mayor resistencia a la compresión en ninguna de las probetas, al contrario la resistencia presentada estuvo por debajo de la de los cilindros de concreto convencional, a excepción de los datos arrojados para el diseño de 28 MPa que con una adición de 0.3% de fibra de fique se obtuvo una resistencia de 29.06 MPa. 35 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Se evidenció que en el ensayo de falla en los cilindros con porcentajes de fibra de 1.5% y 2.0% no hubo rotura sino esponjamiento, mientras que en los de 0.3%, 0.5% y 1.0% si se produjo la rotura. Al incrementar porcentajes de fibra por encima de 0.5% se presentaron disminuciones considerables en la resistencia a la compresión y en su densidad haciéndolo más liviano y más susceptible a la falla. Ejemplo: para el diseño de 28 MPa con adición de 2.0%, la resistencia fue de 3.79 MPa con una densidad de 1755.66 Kg/m3 y para el porcentaje de 1.5% la resistencia fue de 8.53 MPa y su densidad fue de 1967.64 Kg/m3. Concluyéndose que entre más cantidad de fibra de fique se adicione a la mezcla menor será su resistencia. En algunas ocasiones el concreto con fibra de fique después de la falla, el cilindro continúa soportando la presión, deformándose lentamente hasta su aplastamiento sin desprendimiento de la matriz, dándole como una característica de flexibilidad pero controlando su fisuración. Este fenómeno se hace más evidente en las probetas con 2.0% y 1.5%, donde no se superó el 15% y el 61% respectivamente de la resistencia de diseño. La adición de fibra de fique al concreto por encima de 1.0% que equivale a unos 11 Kg/m3 de concreto, no tiene buena manejabilidad, haciendo que su aplicación en los moldes y en la obra sea tediosa. Lo anterior ocasionado por la gran cantidad de aire generado en la mezcla, lo que reduce la densidad del concreto. Resistencia a flexión Los contenidos de fibra de fique adicionados al concreto no causaron aumento en la resistencia a la flexión. La adición de 1.5%, redujo considerablemente el Módulo de Rotura. Para el caso de 14 MPa con un módulo de rotura de 29.1 Kg/cm2 el módulo de rotura con 1.5% de adición de fibra fue de 11.6 Kg/cm2. Sin embargo, con la adición de fibra de fique de 0.3%, la resistencia a la flexión alcanzo un valor para 28 MPa de diseño de 31 MPa correspondiente a 42 kg/cm2. Las fibras de fique le dan al concreto capacidad de cohesión, observándose que aun fracturada la viga, la fibra de fique sigue adherida a la matriz del concreto hasta que se separan los dos fragmentos de la viga por la acción de la presión. 36 Los concretos diseñados por esfuerzos a la flexión como sucede en la pavimentación de calles y vías, por recomendación de la PCA se encuentran entre 40 y 45 Kg/cm2 según la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO, Asociación Americana de Carreteras Estatales y Transportes Oficiales). El resultado de 42 Kg/cm2 obtenido con una cantidad de cemento de 421 Kg/m3 de concreto con una relación agua cemento de 0.48 deja ver que la adición de 0.3% de fibra de fique, para este caso permite trabajar concretos con módulos de rotura confiables. RECOMENDACIONES Se recomienda trabajar con cantidades iguales o inferiores a 3 Kg de fibra de fique por metro cúbico de concreto. También se aconseja que se trabaje con longitudes de fibra de fique entre 2 a 5 centímetros por su manejabilidad, para no correr el riesgo de que se adhieran las fibras entre sí. Para que la fibra de fique en el concreto funcione adecuadamente debe quedar distribuida homogéneamente. El uso de las fibras en el concreto con un porcentaje menor o igual a 0.3% de peso con respecto al agregado fino o 3.3 Kg/m3 de concreto, pueden sustituir parcialmente o reducir los aceros y mallas metálicas que cumplan la función de evitar fisuras. Se puede aplicar el concreto fibroreforzado en la construcción de losas, dinteles y vigas de mediana longitud no superiores a 3 metros, para controlar su fisuramiento pero sin llegar a prescindir de su refuerzo principal. La fibra de fique afectó la resistencia a la compresión y flexión en adiciones superiores a 0.5% con respecto al agregado fino, pero inferior a esta cantidad muestra un comportamiento aceptable en su resistencia a compresión y flexión, lo cual enseña que la utilización de la fibra natural en las construcciones es viable. REFERENCIAS 1. Pérez, Jorge. El fique, su taxonomía, cultivo y tecnología. Compañía de Empaques, Medellín, Colombia, 1974. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis 2. Mahecha Vega, Gilberto Emilio. Vegetación del territorio CAR: 450 especies de sus llanuras y montañas, Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca, 2004. 3. Guía ambiental para el sub sector fiquero, Ministerio del medio ambiente, Bogotá, Colombia, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 p. 21, 2002. 4. Sánchez de Guzmán, Diego. Colección básica del concreto 4, Concretos y morteros manejo y colocación en obra, Bogota: Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2001. 37 �Comportamiento físicoquímico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias de coque de petróleo Rodrigo Puente OrnelasA,B, Carlos Javier Lizcano ZulaicaB, Tushar Kanty Das RoyB, Guadalupe Alan Castillo RodríguezB, Bertha Alicia Vázquez MéndezC Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA), FIME-UANL B Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CIDET), FIME-UANL C Centro de Investigación, Innovación y Desarrollo en las Ciencias y Adminisitrativas (CIIDECSA), FACPYA-UANL ropuor@gmail.com A RESUMEN En el presente trabajo se diseñaron y fabricaron hormigones refractarios de Al2O3-MgAl2O4 utilizando como aditivo una fibra de alcohol polivínilo, variando la granulometría y temperatura de sinterización. Se evaluaron algunas propiedades físicas como la resistencia a la compresión, módulo de ruptura en caliente, porosidad, así como la resistencia a la penetración por el coque de petróleo a 1650 y 1820ºC. Los resultados mostraron que la variación en la temperatura de sinterización y en la distribución granulométrica de los hormigones refractarios, promovió cambios significativos en las propiedades mecánicas obtenidas y en los niveles de penetración y corrosión de los refractarios en la interfaz con las cenizas generadas por el coque de petróleo. PALABRAS CLAVE Horno gasificador, coque de petróleo, corrosión, refractarios, propiedades físicas. ABSTRACT Refractory concretes based on Al2O3-MgAl2O4 with fiber of polyvinyl alcohol additive, particle size variation and sintering temperature were designed, manufactured and evaluated. Cold crushing strength, hot modulus of rupture, porosity and slag penetration resistance in contact with petroleum coke at 1650 and 1820 °C were obtained. The results showed that the variation effect on sintering temperature and particle size distribution in refractory concretes promote significant changes in final mechanical properties, slag penetration levels and corrosion in the refractory in contact with the ash generated by the petroleum coke. KEYWORDS Gasifiers furnance, petroleum coke, corrosion, refractories, physical properties. 38 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. INTRODUCCIÓN Las industrias siderúrgicas dependientes del gas natural se han visto afectadas por el constante incremento en el precio de adquisición de este combustible en los últimos años, lo cual ha repercutido significativamente en la rentabilidad de dichas industrias. Por lo tanto, se ha optado por buscar otras fuentes de gases combustibles entre las que destacan la utilización de la biomasa, el carbón y los residuos de coque de petróleo, mediante su proceso de gasificación. El proceso de gasificación llamado “syngas” para la conversión de materiales sólidos o líquidos en gases combustibles como H 2 y CO, es una tecnología que en los últimos años ha cobrado gran fuerza debido a su alta eficiencia, a la diversidad de combustibles que pueden emplearse y a la reducción de emisiones contaminantes al medio ambiente. En el proceso “syngas” intervienen un combustible y un agente gasificante (aire, oxígeno o vapor de agua) que reaccionan a temperaturas entre los 700 y 1600 °C. La energía contenida inicialmente en el combustible se transfiere a los productos primarios del proceso obteniendo la máxima conversión a gases combustibles (H 2, CO, H2S, amoniaco, metano) y algunos productos no deseados como alquitranes, hollín y cenizas.1-7 Para lograr un proceso de gasificación eficiente es indispensable utilizar materiales refractarios de alto desempeño en el revestimiento de los gasificadores puesto que presentan excelentes propiedades tales como altos puntos de fusión, resistencia al choque térmico y alta resistencia en contacto con medios agresivos. Es común que las fallas en los materiales refractarios sean causadas por fenómenos de corrosión/disolución o penetración de la escoria y posterior desprendimiento, éstas no sólo causarían el paro de los gasificadores, sino también de todos los procesos dependientes de éstos.8-14 Cuando se quema carbón/coque de petróleo se produce la precipitación de cenizas (impurezas contenidas en el material de alimentación) que contienen óxidos de Si, Fe, Al y Ca y niveles elevados de óxidos de K, Na, Mg, Ni y V, que varían con el tipo de material sólido utilizado. Estas cenizas impactan de manera drástica en la vida en servicio del material refractario ya que pueden penetrar a través de los poros y bordes de grano de la cara caliente del refractario propiciando Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 una disolución en sus fases y la posterior formación de fases de bajo punto de fusión y ulteriormente un debilitamiento en su microestructura.15 Los materiales refractarios elaborados con mullita, alúmina y aluminato de magnesio (espinela) se han sometido a ensayos de corrosión en gasificadores en los que se han observado interacciones químicas con el H2, H2S, CO y álcalis a temperaturas de 1000ºC por un lapso de 100 horas. Después de los experimentos, estos materiales presentaron degradaciones como corrosión, erosión y choque térmico, así como la presencia de fases de bajo punto de fusión con Na.16 Los refractarios monolíticos de alúmina y de magnesia sometidos a corrosión por escorias (composición nominal: 60-75% Na2CO3, 20-38% Na2SO4, 1-4% Na2S, y 1-4% Na2S2O3), en un rango de temperaturas entre 900-1000 °C, presentaron baja resistencia a la corrosión por estas escorias, en cambio los refractarios de alúmina-magnesia (espinela) mostraron una buena resistencia después de un lapso de 20 horas.17 Existen estudios post-mortem de corrosión18 en materiales de hormigones refractarios de alta alúmina con espinela de alúmina y magnesio tratados en la línea de escorias de cucharas de acería, que incluso determinaron el mecanismo de corrosión imperante durante este proceso utilizando un diagrama de equilibro de fases cuaternario. También se ha analizado el comportamiento a la corrosión de refractarios de alta alúmina adicionando espinela (MgAl2O4)19 frente a escorias de acería con altos índices de basicidad (CaO/Al2O3= 4.14 y 9.02), formulando los materiales en el sistema CaOAl2O3-MgO y utilizando como materia prima de Al2O3 diferentes materiales de partida como alúmina tabular, corindón electrofundido, alúmina calcinada, espinela sintética (MgAl2O4), magnesia calcinada a muerte, dolomita (Mg,Ca(CO3)2 y de cementos de aluminatos cálcicos. Los experimentos en todos los casos se llevaron a cabo utilizando el método del crisol a nivel de laboratorio, los resultados mostraron aumento en la corrosión al aumentar el contenido de MgO, mientras que la corrosión por penetración bajó al adicionar espinela. Por otro lado existen trabajos basados en refractarios de alúmina sinterizada y hexaluminato de calcio,20 estudiados frente a una escoria ferrítica 39 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. de bajo índice de basicidad (CaO/SiO2 = 2.17) y utilizando el método de reacción estática a nivel laboratorio, cuyos resultados mostraron un buen comportamiento de resistencia a la corrosión hasta temperaturas de 1650ºC con exposición de ataque por 3 horas. Se ha reportado21-23 que escorias de cenizas de coque de petróleo han resultado altamente agresivas al contacto con refractarios de espinela y alúmina, tratados a temperaturas menores de 1820 °C. La distribución del tamaño de partícula en los materiales refractarios es un tema de gran interés, desde el uso de tamaños de partícula óptimos hasta los refractarios con empaquetamiento de densidad máxima donde se utilizan aditivos orgánicos e inorgánicos, lo que permitiría optimizar su temperatura de sinterización y a su vez un mejoramiento en sus propiedades finales como resistencia mecánica, densificación y altas resistencias al ataque térmico. En la presente investigación se estudia el comportamiento que exhiben los hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 de bajo contenido en cemento (% de CaO ~ 0.22), ante su variabilidad en la temperatura de sinterizado, tamaño de grano y exposición frente a las cenizas de coque de petróleo. EXPERIMENTACIÓN El procedimiento experimental se realizó en 2 etapas. La primera consistió en evaluar el efecto de la temperatura de sinterizado sobre las propiedades físicas y mecánicas de hormigones refractarios y la segunda en evaluar el efecto de la granulometría en formulaciones de hormigones refractarios sobre los fenómenos de corrosión frente a las cenizas generadas por coque de petróleo. Etapa 1 Durante la etapa 1 se diseñaron y fabricaron piezas de hormigón refractario rectangulares de 13.97x13.97x7.62cm utilizando 2 tipos de materiales. El material 1 estaba constituido por granos de alúmina electrofundida, magnesia y aluminato de magnesio que en conjunto formaban una dispersión granulométrica en un rango de 4.76 mm a 37 μm, con un aditivo orgánico de fibra 40 de alcohol polivinílico (p.f. = 300ºC). Por otro lado, el material 2 estaba formado solamente por granos de alúmina electrofundida de 50 mm. Cada material fue caracterizado mediante difracción de rayos X (DRX) método de polvos. Las piezas de hormigones refractarios se formularon mezclando los materiales 1 y 2 con agua empleando una relación agua/(material 1 y material 2) de 0.12 que equivale a 1/(7.05 y 1.28 respectivamente). Posteriormente la mezcla del hormigón refractario ya preparada fue depositada en moldes rectangulares, utilizando vaselina en la superficie interna de los moldes para evitar adherencias después del fraguado el cual se llevó a cabo a temperatura ambiente (26ºC) por un lapso de 24 horas. Después de ese tiempo, los hormigones refractarios fueron sacados del molde y secados a una temperatura de 110ºC durante 8 horas para posteriormente ser sometidos al proceso de sinterización en el horno túnel con atmósfera de aire y gas natural como combustible y empleando dos temperaturas, 1600 y 1720ºC (temperaturas para obtener los hormigones refractarios), con tratamiento previo de 300ºC/30 min. para reaccionar el aditivo polivinílico y promover la densificación final del hormigón refractario. Determinación de las propiedades físicas y mecánicas de los hormigones refractarios Una vez concluido el proceso de sinterizado, los hormigones refractarios fueron cortados para obtener probetas de acuerdo a especificaciones de las normas y equipos donde se midieron las propiedades físicas como porosidad aparente (PA), resistencia a la compresión en frío (CCS) y módulo de ruptura en caliente (HMOR). La determinación de la porosidad se realizó siguiendo el procedimiento estipulado por la norma ASTM C-830-00 basada en el principio de Arquímedes.24 La determinación de la resistencia a la compresión en frío se realizó con base en las especificaciones de la norma Alemana DIN EN993,25 utilizando dos tipos de probetas, cilíndricas y cúbicas, las cilíndricas de 5 cm de diámetro y 5 cm de altura y las cúbicas de 5x5x5cm; los ensayos se llevaron a cabo en una máquina universal. La determinación del módulo de ruptura en caliente se realizó de acuerdo a la norma ASTM C 583-80 26 empleando probetas rectangulares de 15.2x2.5x2.5 cm, las cuales fueron Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. sometidas a una temperatura de 1400 °C, en horno eléctrico con atmósfera controlada de gas argón. Etapa 2 Para la etapa 2 se diseñaron 2 diferentes formulaciones de hormigones refractarios cúbicos de 5x5x5cm. Para su elaboración, fueron utilizados los mismos materiales empleados en la etapa 1 (material 1 y material 2). Para fabricar la primera formulación, los materiales 1 y 2 fueron sometidos a un proceso de trituración y molienda hasta alcanzar partículas inferiores a las 149 μm en ambos materiales. Para elaborar la segunda formulación, se mezclaron el material 1 que conservó la granulometría original (entre 4.76 mm y 37 μm), mientras que el material 2 fue sometido a un proceso de triturado hasta obtener un tamaño de grano de 6 mm (ya que este era de 50 mm), por lo tanto, la granulometría utilizada en la segunda formulación osciló entre 6 mm y 37μm. Las formulaciones de hormigones refractarios fueron elaboradas en moldes cúbicos utilizando en la parte interior del molde vaselina para ayudar a desmoldear. En la primera formulación, los materiales 1 y 2 con agua fueron mezclados empleando una relación agua/(material 1 y material 2) de 0.24 que equivale a 1/(3.53 y 0.642 respectivamente), mezclando por 2 min para conseguir una buena homogeneización. En la segunda formulación, los materiales 1 y 2 con agua fueron mezclados empleando una relación agua/(material 1 y material 2) de 0.12 que equivale a 1/(7.05 y 1.28 respectivamente), mezclando por 3 min para conseguir una buena homogeneización. Posteriormente, las mezclas fueron vaciadas en los moldes siguiendo el mismo procedimiento empleado en la elaboración de los hormigones refractarios durante la etapa 1, requiriendo un proceso de vibrado de 2 min (primera formulación) y 4 min (segunda formulación). El fraguado se llevó a cabo bajo techo a una temperatura ambiente de 27ºC por un tiempo de 48 horas y el proceso de sinterizado se realizó al 1720 °C en horno túnel con atmósfera de aire y gas natural como combustible. Ya sinterizadas las diferentes formulaciones de hormigones refractarios, se caracterizaron mediante fluorescencia de rayos X (FRX) y DRX método de polvos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Evaluación de los fenómenos de corrosión en los hormigones refractarios frente a las cenizas generadas por coque de petróleo Los experimentos para las pruebas de corrosión de los hormigones refractarios frente a las cenizas de coque de petróleo se efectuaron siguiendo dos métodos. El primero empleó el método de reacción estático llevado a cabo a nivel laboratorio y el segundo, el método de perforación directa al hormigón refractario (conocido como método de copa) llevado a cabo a nivel planta piloto. Para las pruebas llevadas a cabo a nivel laboratorio, fueron elaboradas probetas de coque de petróleo en forma de tabletas o pastillas en una prensa hidráulica isostática, utilizando 1 gramo de coque de petróleo y aplicando una carga de 3 toneladas por espacio de 2 min. Una vez manufacturadas las probetas, se procedió a colocarlas en el centro de la parte superior de cada formulación de hormigón refractario a evaluar. Seguidamente, el par difusor coque de petróleohormigón refractario (sinterizado a 1720 °C) fue sometido a una subida de temperatura para evaluar la corrosión a través de interacciones químicas dentro de un horno eléctrico a 1650ºC por un tiempo de 4 horas. En el segundo método realizado a nivel planta piloto, se aplicó a los hormigones refractarios la prueba de copa bajo el procedimiento descrito por la norma alemana DIN 1069,27 que consistió en perforar los hormigones refractarios con una broca (diámetro = 38mm), para depositar en dicha perforación 5 g de coque de petróleo como material de ataque. Los hormigones refractarios se colocaron en el interior de un horno gasificador, calentado con gas natural hasta alcanzar una temperatura de 1820ºC, con el fin de estudiar las interacciones químicas del ataque de corrosión entre el coque de petróleo y los hormigones refractarios, los cuales habían sido sinterizados a 1720 °C. Después de realizadas las pruebas, los hormigones refractarios fueron cortados de forma transversal para inspeccionar visualmente si presentaban ataque químico o corrosión, enfocando la atención sobre el área que presentaba mayor penetración. Esta área se caracterizó por DRX método de polvos para encontrar las fases formadas. Finalmente, se determinó su composición y perfil de penetración mediante microscopía electrónica de barrido con dispersión de energías (MEB-EDX). 41 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Etapa 1: propiedades físicas y mecánicas a) Materiales utilizados en la elaboración de los hormigones refractarios Los resultados obtenidos de la caracterización realizada al material 1 y material 2 vía DRX método de polvos se muestran en los difractogramas de la figura 1, en los cuales se pueden observar los espectros correspondientes a las fases identificadas de acuerdo a las reflexiones hkl principales. Al material 1 corresponden las fases de: espinela de magnesia alúmina, corindón, periclasa e hidróxido de aluminio; mientras que al material 2 le corresponden el corindón y también hidróxido de aluminio. Fig. 1. Difractogramas obtenidos en los análisis por DRX de los materiales de partida y de los hormigones refractarios después de los ataques de corrosión frente a las cenizas de coque de petróleo. b) Pruebas físicas y mecánicas en hormigones refractarios Los resultados obtenidos de las pruebas físicas y mecánicas realizadas a los hormigones refractarios, son presentados en la tabla I. Tras efectuar un análisis en estos resultados, podemos decir que existe un error despreciable en todas las pruebas ya que los valores de desviación estándar obtenidos son muy mínimos. De los resultados de porosidad aparente (%PA) se deduce que esta disminuye al aumentar la temperatura de sinterización. La resistencia a la compresión en frío (CCS) fue mejor en las probetas sinterizadas a menor temperatura porque la cantidad de espinela de magnesia y alúmina formada es menor.28 42 Tabla I. Resultados de las pruebas físicas y mecánicas realizadas a hormigones refractarios. La espinela de magnesia y alúmina tiene un coeficiente de expansión térmica (α251500ºC=6,6•10-6 ºC-1) muy diferente al corindón (α25-1500ºC=13•10-6 ºC-1) por lo que durante el enfriamiento, estas diferencias en los coeficientes de dilatación, han podido dar lugar a la formación de grietas que disminuirían significativamente las propiedades mecánicas en las muestras con más cantidad de espinela. Así las probetas a 1720ºC que tiene mayor contenido de espinela, tienen una menor resistencia mecánica en frío (CCS). Por el contrario durante la realización de los ensayos a alta temperatura (1400 °C), el módulo de ruptura en caliente (HMOR), ha podido continuar la sinterización de los hormigones refractarios, por lo que las probetas sinterizadas a 1600 °C mostraron menor HMOR en comparación con el mostrado por las probetas sinterizadas a 1720 °C ya que en estas últimas, la temperatura a la que habían sido sinterizadas fue ideal para que se formaran pequeñas cantidades de fase líquida, misma que influenció de manera negativa en los ensayos de CCS, pero de manera positiva en los ensayos de HMOR. Tomando como referencia resultados de proveedores que producen este tipo de ladrillos refractarios e investigaciones realizadas sobre el comportamiento de estos, se puede decir que los resultados obtenidos son favorables ya que están dentro de los rangos de literatura.29 Etapa 2: post-mortem de los hormigones refractarios utilizados en los ensayos de corrosión a) Caracterización de hormigones refractarios utilizados en los ensayos de corrosión La caracterización vía DRX realizada en los materiales 1 y 2 que se emplearon en las formulaciones de los hormigones refractarios en la etapa 2 ya fueron discutidos, puesto que estos son los mismos resultados de la etapa 1. Por otro lado, los resultados obtenidos para los hormigones Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. refractarios correspondientes a las dos formulaciones diseñadas en la etapa 2, son mostrados en la figura 1; de acuerdo con los resultados es posible apreciar que ambos hormigones refractarios (formulación 1 y 2) muestran de forma mayoritaria la fase alúmina y minoritaria la fase espinela de magnesia alúmina. De acuerdo al análisis químico realizado por FRX (tabla II) se aprecia que ambos hormigones refractarios (formulación 1 “F1” y formulación 2 “F2”) presentan un 70% de fase alúmina y un 30% de fase aluminato de magnesio ó espinela. b) Escoria de coque de petróleo utilizada en los ensayos de corrosión Los resultados de la caracterización realizada al coque de petróleo y las cenizas generadas por éste, empleando la técnica de DRX, son también mostrados en la figura 1. En el difractograma correspondiente al coque de petróleo, se puede apreciar que presenta el halo amorfo característico del carbón, lo que muestra una alta concentración de carbón contenido en el coque de petróleo empleado en esta investigación; respecto a las cenizas de coque de petróleo (generadas cuando es quemado a temperaturas superiores a los 800ºC), el difractograma revela la presencia de la fase anhidrita y cuarzo. De acuerdo al análisis Tabla II. Análisis químico obtenido por FRX (*), de los materiales empleados para los ataques de corrosión. * Análisis químico proporcionado por el proveedor. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 químico realizado por FRX (tabla II) se aprecia que el coque de petróleo (CP) utilizado para las pruebas de interacción química indica que está constituido por un 90% de carbón y 10% de materiales volátiles (análisis químico proporcionado por el proveedor). Por otro lado, las cenizas generadas a través de la combustión del coque de petróleo (CCP), las cuales interactuaron químicamente con los hormigones refractarios sinterizados previamente antes de ser atacados, exhibieron compuestos como sulfatos, óxidos de calcio, de silicio, de hierro, de níquel así como pentóxido de vanadio, que fueron determinantes en efectos negativos al estar en contacto con los hormigones refractarios. c) Ensayos de corrosión en hormigones refractarios El estudio post-mortem de las pruebas de corrosión como una interacción química realizado a 1650 °C mostró la formación (en ambos hormigones refractarios) de espinela desvitrificada rica en Mg, con alto contenido en Fe2+ y Ni2+, cuya fase espinela es identificada mediante flechas y mostrada en las imágenes de la figura 2; también apareció hibonita en su hábito de cristalización en forma de agujas, validada también por DRX método de polvo y mostrada también en la figura 2, identificada con estrellas; además se observó la formación de gehlenita identificada mediante alveolos, la cual desvitrificó en el centro de agujas de la hibonita (figura 2). La formación de estas fases puede ser atribuida a la reacción de los granos de alúmina con los óxidos de calcio y la sílice presentes en la escoria, lo que favoreció la formación de las fases hibonita (CaO + 6Al2O3 = CaAl12O19 = CA6) y gehlenita (2CaO + Al2O3 + SiO2 = C2AS), fases que fueron identificadas por sus morfologías y composición química características. En la figura 2 pueden observarse en las zonas delimitadas como rectángulos, fenómeno que se ha presentado en otros estudios.18-20 Los iones de Ni2+ y Fe2+ también presentes en la escoria fueron adsorbidos en solución sólida por la fase espinela (MgAl2O4), sustituyendo en la estructura química los iones - 2+ por (Mg2+, Fe2+, Ni2+) y los iones 3+ por (Al3+, Fe3+), los cuales son identificados en la figura 2 por un triángulo. 43 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. identificadas con un triángulo. Una vez analizados los hormigones refractarios a magnificaciones más altas para observar a detalle la disolución de los granos, se encontró agrietamiento que indica reacción entre la interfase de los hormigones refractarios y las cenizas del coque de petróleo, esta área se señala con rectángulos en la figura 3. También se detectó la presencia de una fase que de acuerdo a su composición química se propone como vanadato de aluminio (AlVO4) y es identificada en las imágenes de la figura 3 mediante alveolos. Cabe señalar que en el análisis microestructural no fueron detectadas las fases hibonita y gehlenita como en el caso de las pruebas efectuadas a 1650 °C. Los resultados de ambos experimentos indican que la disolución de los hormigones refractarios es causada por la penetración de elementos fundidos a través de la porosidad y las fronteras de grano, las Fig. 2. Fenómeno de penetración y corrosión presentado en límites de granos en: formulación 1 de hormigón refractario (A) y formulación 2 de hormigón refractario (B), después del ataque a 1650ºC en un horno eléctrico. Respecto a los resultados de los hormigones refractarios sometidos a los ensayos realizadas a 1820 °C y después de ser analizados de forma microestructural por MEB-EDX, se observó una disolución de granos, tal como puede apreciase en las imágenes de la figura 3, dicha disolución es identificada mediante flechas. También fue detectada la presencia de espinelas ricas en Ni 2+ y Fe 2+, 44 Fig. 3. Fenómeno de corrosión presentado en la formulación 2 de hormigón refractario después del ataque de corrosión a 1820ºC en un horno gasificador. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. cuales reaccionan preferentemente con los granos de alúmina para formar la fase CaAl12O19 (hibonita30), cuya morfología característica de agujas alargadas y alto punto de fusión ayuda a disminuir y detener la penetración de la fase líquida y por tanto el progreso de la corrosión. El exceso de los óxidos de calcio y aluminio combinado con iones de silicio propician la formación de la fase gehlenita (2CaO.Al2O3.SiO2)31-33 ya que en ambas temperaturas (1650 y 1820ºC) la espinela coexiste y se mantiene en solución sólida con capacidad para incorporar en su estructura iones como hierro y níquel, de manera que produce cambios en la composición de la escoria generándose una reducción en la penetración y la subsecuente disolución o ataque de los materiales refractarios. CONCLUSIONES La temperatura de sinterizado influyó significativamente en las propiedades físicas y mecánicas de los hormigones refractarios, obteniéndose de manera general mejores resultados en los hormigones que fueron sinterizados a 1720ºC. La variación en la distribución granulométrica de las formulaciones diseñadas en la etapa 2 influyó drásticamente en los niveles de penetración y corrosión en los hormigones refractarios, ya que los elaborados con tamaños de partículas inferiores a 149 μm (formulación 1) mostraron mayor corrosión en comparación con los elaborados en el rango de partícula de 6 mm a 37μm (formulación 2) cuando fueron puestos frente a la ceniza generada por el coque de petróleo en las pruebas efectuadas a 1650 y 1820ºC. La penetración de la escoria fundida de la ceniza de coque de petróleo a través de fronteras de grano y porosidad de los hormigones refractarios fue reducida debido a la presencia de espinela de alúmina magnesia y a su capacidad de incorporar en su estructura iones de Fe2+ y Ni2+. La formación de la fase hibonita ayudó a disminuir la penetración de la escoria en el hormigón refractario debido a su estabilidad térmica. De manera general, los estudios realizados a los hormigones refractarios respecto a las pruebas físicas, mecánicas y de corrosión mostraron que estos son buenos materiales refractarios pero no Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 para emplearse en hornos gasificadores de coque de petróleo en el que las temperaturas de trabajo sean superiores a los 1650 y 1820 °C, debido a que en estas condiciones de trabajo se generan fases con punto de fusión inferior a 1900 °C, temperatura para la cual habían sido diseñados. REFERENCIAS 1. Lee, S. J., Kim, S. 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Fuel Processing Technology. 87, 487-495, 2006. 7. Asadullah, M., Miyazawa, T., Ito, S., Kunimori, K., Yamada, M., Tomishige, K. Gasification of different biomasses in a dual-bed gasifier system combined with novel catalysts with high energy efficiency, Applied Catalysis A: General, 267, 95-102, 2004. 8. Rabou, L. P. L. M. Biomass tar recycling and destruction in a CFB gasifier, Fuel, 84, 577-581, 2005. 9. Kurkela, E., Kurkela, M. Advanced biomass gasification for high-efficiency power. Publishable final activity report of BiGPower Project, VTT Tiedotteita – Research notes. 2511, 2009. 10. González-Rocha, J.C., Longoria-Ramírez, R., y Urquiza-Beltrán, G. Results of the Simulation 45 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. of Gasification on the Mexican Petroleum Coke From the Refineries of Ciudad Madero and Cadereyta. Ingeniería Investigación y Tecnología. 2, 99-111, 2008. 11. Yun, Y., Chung, S. W. 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Refractory testing and evaluation at Oak Ridge National Laboratory for black liquor gasifier applications. Refractories Applications and News. 9, 14-20, 2004. 18. Aza, A. H., Pena, P., Aza, S., Raigon, M., GomezMillan, J., Domínguez, C. Estudio post-mortem de un hormigón refractario colocado en la línea de escorias de una cuchara de acería. Bol. Soc. Esp. Ceram. 42, 375-378, 2003. 19. Diaz, L. A., Torrecillas, R., De Aza, A. H. Effect of spinel content on slag attack resistance of high alumina refractory castables. J. of the European Ceramic Society, 27, 4623-4631, 2008. 20. Vázquez, B. A., Pena, P., De Aza, A. H., Sainz, M. A., Caballero, A. Corrosion mechanism of polycrystalline corundum and calcium hexaluminate by calcium silicate slags. J. of the European Ceramic Society, 29, 1347-1360, 2009. 46 21. Puente-Ornelas, R. Factibilidad de uso de los refractarios Al2O3 y Al2O3-MgAl2O4 en la gasificación de coque de petróleo, Tesis de Maestría, Programa doctoral de Ingeniería en Materiales, FIME-UANL, Nuevo León, México. 2005. 22. Puente-Ornelas, R., Guzmán-Hernández, A.M., Zambrano-Robledo, P.C., Lizcano-Zulaica, C.J., Das Roy, T.K. Deterioro de refactarios diseñados para el revestimiento de un gasificador de petcoque. Ingeniería Mecánica, Tecnología y Desarrollo. 3, 207-212, 2011. 23. Puente-Ornelas, R., Lizcano-Zulaica, C.J., Guzmán, A.M., Zambrano, P.C., Das-Roy, T.K. Dissolution of refractories for gasification process of petroleum coke for the steel industry. Fuel, 93, 581-588, 2012. 24. ASTM C-831-83: Standard test methods for apparent porosity, liquid absorption, apparent specific gravity, and bulk density of refractory shapes by vacuum pressure. 2006. 25. DIN EN993-5: Methods of test for dense shaped refractory products: Determination of cold crushing strength. 1998. 26. ASTM C 583-80: Standard test method for modulus of rupture of refractory materials at elevated temperatures. 27. DIN1069: Sicherheitstechnische Anforderungen Und Prüfverfahren. 28. Gutiérrez-Campos, D., Diaz, J. I. and Rodríguez, R. M. Evolution of an alumina-magnesia/selfforming spinel castable. Part I. Microstructural features Cerâmica, 45, 93-98, 1999. 29. Knizek, I. Parámetros de Refractarios Moldeables y Prefabricados. Barro Mex., S.A de C.V. 1ª edición. 1989. 30. Qafssaoui, F., Poirier, J., Ildefonse, J. P., Hubert, P. Influence of the liquid phase on the slag corrosion of andalusite-based refractaories. Refractories Applications Transactions. 1, 1-8, 2005. 31. Vázquez B. A. Influencia de la espinela de aluminio y magnesio en el comportamiento frente a la corrosión de hormigones refractarios de bajo contenido de cemento”. Tesis doctoral, Universidad Autónoma de Madrid, Instituto de Cerámica Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. y Vidrio Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC-ICV), Madrid, España. 2004. 32. Triantafyllidis, D., Stott, F.H., Li, L. The slag corrosion behavior of laser surface treated refractory ceramics. Conference Corrosion Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Science in the 21st Century. 2003. 33. Vázquez, B. A., Caballero, Á., Pena, P. Quaternary system Al2O3-CaO-MgO-SiO2: II Study of the cristallization volume of MgAl2O4. J. Am. Ceram. 88, 1949-1957, 2005. 47 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidriopoliéster como cargas en concreto polimérico Rodolfo Morales IbarraA, Elsa Abigail Duncan FloresA, Saida Mayela García MontesA, Alma Gisela Martínez ArellanoB, Juan Francisco Barrón GranadosB, Denisse Arantxa Cepeda MújicaA FIME-UANL Reacciones Químicas S.A. de C.V. rodolfo.moralesbr@uanl.edu.mx A B RESUMEN En el presente trabajo se utilizaron materiales compuestos de fibra de vidrio y resina poliéster considerados de fin de ciclo de vida pulverizados como cargas en concreto polimérico para analizar su efecto en las propiedades mecánicas de concreto polimérico. El objetivo de esta investigación fue sustituir la mayor cantidad de carbonato de calcio contenido en el concreto polimérico(20%) por material reciclado manteniendo sus propiedades mecánicas y a la vez reduciendo su porcentaje de volumen de resina utilizado, en busca de la reducción de costos de fabricación con un impacto medio ambiental positivo. Los resultados que se obtuvieron como consecuencia de reducir la fórmula a 10% de resina con 90% de carga con un máximo de 2% de material reciclado corresponde en propiedades relativamente buenas. PALABRAS CLAVE Vidrio-poliéster, concreto polimérico, reciclado. ABSTRACT Recycling of composite materials was studied using pulverized fiberglasspolyester composite materials as fillers in polymeric concrete for this research. The objective of this research was to increase as much as possible the amount of recycled filler in the polymeric concrete without maintaining the mechanical properties of the material, reducing the percentage of volume of resin used and thus, reducing manufacturing costs with a positive environmental impact. Positive results were obtained: resin percentage has been reduced to 10% with 90% fillers using up to 2% of recycled material while maintaining relatively good mechanical properties. KEYWORDS Polyester-glass, polymeric concrete, recycling. INTRODUCCIÓN El concreto polimérico es un material relativamente nuevo de alto rendimiento que ha sido comercializado desde 1960. Este material se produce a partir de una 48 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. resina líquida y agregados inorgánicos figura 1. La producción del concreto polimérico es la siguiente: pequeñas dosis de iniciadores y promotores se añaden a una resina para iniciar el curado o el proceso de endurecimiento. Donde los iniciadores dan partida a la polimerización y los promotores aceleran la reacción. Inmediatamente después de la adición del iniciador y promotores, la resina líquida se mezcla con los agregados gruesos y finos tales como piedra, grava o arena triturada. Después del curado, el material se compone de agregados inorgánicos bien graduados unidos entre sí por un aglutinante de resina. El curado puede ser tan corto como unos pocos segundos o largo como unas horas , dependiendo de la cantidad de iniciador y promotor añadido a la resina poliéster. El uso de concreto polimérico en la producción de componentes prefabricados parece muy prometedor. Las ventajas del concreto polimérico son su buena resistencia y buena durabilidad. El rápido tiempo de curado es otra importante ventaja en muchas aplicaciones estructurales e ingenieriles ya que el concreto cura en pocos minutos u horas cuando a materiales a base de cemento les toma días o semanas curarse por completo. Comercialmente, la principal desventaja del concreto polimérico es su alto costo comparado con otros materiales a base de cemento. La mayor parte del costo de los concretos poliméricos proviene de la resina; los costos de las cargas son comparativamente insignificantes. No es de extrañar que existan estudios recientes sobre reducción de costos en la resina como futura necesidad de concreto polimérico.1 Una de sus principales propiedades es la resistencia a la compresión, donde los sistemas prefabricados llegan a soportar hasta 30.2MPa frente a los 7-9MPa que soporta el concreto tradicional. Otra de sus principales propiedades es la de evacuación de fluidos, que es gracias a su superficie tipo espejo, y facilita el rápido desalojo de los fluidos. Su resistencia a productos químicos es otra de su propiedades, la resistencia a la helada, desgaste por abrasión y resistencia al choque son mas propiedades que lo caracterizan. En cuanto a sus aplicaciones el concreto polimérico en sistemas prefabricados se ha ganado un lugar importante en la industria de la construcción gracias a sus principales propiedades. Principalmente en los sectores de edificación para la elaboración de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 vierteaguas, albardillas y jambas, en prefabricados para drenaje tanto para la canalización de fluidos como la conducción de instalaciones y servicios, y en fachadas como revestimiento de edificios que es tanto una característica estética como en términos de aislamiento y por lo tanto de ahorro. El crecimiento del uso de materiales poliéster reforzado con fibras en las industrias de construcción y transporte implica cantidades mayores y el aumento de desechos de este material, producidos en diferentes etapas de su ciclo de vida. La mayor preocupación es en relación a las soluciones limitadas para la gestión de los residuos de estos materiales termostables no re procesable.2 Los compuestos fabricados en plásticos reforzados con fibra de vidrio son ampliamente utilizados en todo tipo de industria alrededor del mundo. Actualmente en nuestro país se producen más de 1,030,648 toneladas por año y se consumen alrededor de 497,914 toneladas por año de fibra de vidrio,3 pero ¿qué pasa cuando las piezas que están hechas de este material terminan su ciclo de vida?. En México solo existen 8 empresas dedicadas a la recolección de residuos sólidos4 y solo el 11% del material recuperado en sitio de disposición final es reciclado lo cual es un problema ya que el resto se queda desechado en el medio ambiente.5 Las técnicas para el reciclado de materiales poliéster reforzados con fibra se identifican en dos principales grupos: métodos mecánicos, que involucra técnicas de trituración para reducir el tamaño de los residuos y métodos térmicos que consisten en el uso de calor para descomponer los residuos en las materias primas y finalmente, energía.6 EXPERIMENTAL Para la matriz polimérica del concreto se utilizó una resina poliéster PCP 9652 de Reacciones Químicas S.A. de C.V., que es una resina de muy baja viscosidad; cuenta con muy buenas características de humectación a fibra de vidrio y cargas minerales, excelentes propiedades de resistencia a la compresión y buena velocidad de liberación de burbujas de aire atrapadas en la pasta; lo que la hace adecuada para trabajar con estos tipos de materiales. Se utilizaron arenas sílicas de distintos tamaños de mallaje 10/20, 20/30 y 40/50 donde las arenas 10/20 y 20/30 representan las arenas gruesas y las 40/50 junto 49 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. con el carbonato de calcio que se utiliza para la reducción de costo y mejorar las propiedades del material son parte de las arenas finas. El conjunto de estas dos arenas (finas y gruesas) conforman las cargas o refuerzos del concreto polimérico, además se utilizaron residuos de compuestos de fibra de vidrio/poliéster que sustituiría un 2% y 4% el contenido en peso de carbonato de calcio en el concreto polimérico. El proceso de preparación de mezcla tal como lo muestra la figura 1.consiste en integrar todas las arenas con el carbonato de calcio y/o los residuos de fibra de vidrio/poliéster; una vez que los materiales están completamente integrados se agregan a la resina que ya contiene el catalizador y se mezclan hasta la homogeneidad con una mezcladora Hobart N50; la mezcla es vertida en los moldes de compresión(cubos) y flexión(barras); una vez que el material ya ha polimerizado se dejan reposar por un lapso de 7 días, pasando este período las muestras están listas para ser sometidas a los ensayos requeridos. En base a la composición original para la elaboración de concreto polimérico que se maneja en la industria siendo 88% cargas y 12% resina se hizo un diseño de experimentos como se muestra en la tabla I. Donde el experimento 1 es la composición original y a partir de esta formulación se varió el porcentaje de resina contenido en el concreto polimérico hasta un 2% menos del porcentaje usado y a la vez se varió la cantidad de material reciclado hasta un 4% como sustituto del carbonato de calcio. Se llevaron a cabo un total de 8 experimentos cada uno con 6 muestras esto acorde a las normas ASTM (American Society for Testing and Materials) Tabla I. Diseño de experimentos. Experimento Cargas (%) Resina Poliéster (%) Material Reciclado (%) 1 88 12 0 2 88 12 2 3 88 12 4 4 89 11 0 5 89 11 2 6 89 11 4 7 90 10 0 8 90 10 2 Fig. 1. Proceso de mezclado del concreto polimérico. 50 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. que en el caso del concreto polimérico corresponde a las normas C-579 y C-580 para los ensayos de compresión y flexión respectivamente. RESULTADOS Se tomaron imágenes con Microscopía de Barrido de Electrones figura 2 (SEM, Scanning Electron Microscope) a los diferentes granos de arenas, al carbonato de calcio y a los residuos de fibra de vidrio/poliéster. Se observa la morfología de las arenas sílicas que es básicamente granular en donde resultaba interesante y de particular necesidad conocer exáctamente los tamaños de las partículas para diferir en los métodos a ser utilizados de acuerdo a ASTM, los cuales dependen básicamente del tamaño de los agregados; en el caso del carbonato de calcio resulta interesante observar su morfología la cual difiere de la del material pulverizado de fibra de vidrio-poliéster. La figura 3. muestra una grafica de esfuerzodeformación con las curvas promedio de cada uno de los experimentos. Se observa la curva del experimento 1 que corresponde a la producción de línea o producción de base y se puede observar que las curvas que corresponden a los experimentos 2 y 7 son mayores que el experimento 1 y las demás curvas son inferiores a ésta lo cual nos dice que la variación de resina y material reciclado si afecta significativamente en el concreto polimérico. En los ensayos de flexión no se obtuvo una gran variación en cuanto a los esfuerzos ya que presentaban un esfuerzo promedio máximo muy similar o con una diferencia muy insignificante figura 4; en cuanto al ahorro de resina se obtuvieron muy buenos resultados ya que si las propiedades mecánicas no se afectan eso quiere decir que es posible utilizar una configuración de cargas/resina con un porcentaje de resina menor al utilizado actualmente (experimento 1) y así lograr un ahorro de la resina de más de un 8% como se muestra en la tabla III que por ejemplo el experimento 4 que tiene formulación de 88% de cargas y un 11% de resina muestra una ganancia en propiedades mecánicas de hasta un 2.06% en comparación con el experimento 1 y un importante ahorro de más del 8% de total de resina consumida. Fig. 2. Imagen de SEM de: a) arena 10/20 a 36X, b) arena 20/30 a 36X, c) arena 40/50 a 36X, d) carbonato de calcio a 400X, e) compuesto de fibra de vidrio/poliéster a 40X, f) compuesto de fibra de vidrio/poliéster a 400X. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 51 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Fig. 3. Grafica de esfuerzo/deformación donde se muestran las curvas promedio de los 8 experimentos. CONCLUSIONES Después de efectuar esta investigación y observar detenidamente los resultados presentes se puede decir que el método presentado es adecuado para la caracterización del concreto polimérico además que se sugiere una revisión en el proceso de mezcla porque al sustituir un material denso por uno menos denso se dificulta preparar la mezcla, por lo que se propone partir de la composición 90% de carga, 10% de resina y 2% de material reciclado de fibra de vidrio/poliéster ya no es posible trabajar con composiciones que contengan mayor cantidad de material reciclado. Los experimentos 1, 4 y 7 que son experimentos que no contiene ningún porcentaje de material reciclado las muestras presentan un capa en la superficie de resina lo cual indica que la resina no está completamente en el material y esto se debe a que cuando el material esta curando la resina, al ser menos densa que las arenas, sube a la superficie, por lo tanto se recomienda usar períodos de curado más cortos. En cuanto a las pruebas de compresión el experimento 5 presenta propiedades mecánicas relativamente altas y presenta un interesante ahorro del mas de 8% del consumo de resina además de un sustituto de carbonato de calcio por material de fibra de vidrio/poliéster de 2%. Por otro lado en flexión es el experimento 4 el que más destaca teniendo una ganancia en propiedades mecánicas y un importante ahorro en el consumo total de la resina. Fig. 4. Curvas esfuerzo-deformación de las muestras del experimento 1 en flexión. 52 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Tabla II. Resultados de los análisis de propiedades mecánicas de compresión. Experimento Cargas (%) Resina poliéster (%) Material reciclado (%) Esfuerzo (Mpa) Δ propiedades mecánicas (%) Porcentaje de ahorro (%) 1 (baseline production) 88 12 0 49.22 0 0 2 88 12 2 50.52 2.6 0 3 88 12 4 35.03 -28.8 0 4 89 11 0 41.83 -15 8.3 5 89 11 2 45.48 -7.5 8.3 6 89 11 4 40.11 -18.5 8.3 7 90 10 0 51.39 4.4 16 8 90 10 2 45.01 -8.55 16 Tabla III. Resultados de los análisis de propiedades mecánicas de flexión. Experimento Cargas (%) Resina poliéster (%) Material reciclado (%) Esfuerzo (Mpa) Δ propiedades mecánicas (%) Porcentaje de ahorro (%) 1 (baseline production) 88 12 0 25.69 0 0 2 88 12 2 23.99 -6.6 0 3 88 12 4 22.18 -13.66 0 4 89 11 0 26.22 2.06 8.3 5 89 11 2 22.37 -12.92 8.3 6 89 11 4 22.13 -13.85 8.3 7 90 10 0 23.46 -8.68 16 8 90 10 2 23.53 -8.4 16 REFERENCIAS 1. K. S. Rebeiz. Precast use of polymer concrete using unsaturated polyester resin based on recycled pet waste Construction and Building Materials, Vol. 10, No. 3, pp. 215-220, 1996. 2. joão R. 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Asokan, Assessing the recycling potential of glass fibre reinforced plastic waste in concrete and cement composites, Journal of Cleaner Production 17 (2009) 821–829. 10. Mehmet Saribiyik, The effects of waste glass powder usage on polymer concrete properties, Construction and Building Materials, Volume 47, October 2013, Pages 840-844. 53 �Eventos y reconocimientos I. CLAUSURA DEL VERANO INFANTIL La décima edición del Campamento de Verano Infantil “Aprende Ciencia Jugando” concluyó el pasado 26 de julio y se llevó a cabo una ceremonia de clausura presidida por el Dr. Moisés Hinojosa Rivera, Subdirector de Posgrado, en representación del director de la FIME, el M.C. Esteban Báez Villarreal, acompañado de la Dra. Guadalupe Maribel Hernández Muñoz, Coordinadora de Administración y Logística del Verano Infantil, en representación de la Dra. Patricia Zambrano, Coordinadora General del Verano Infantil, y el Ing. Francisco Gastelum Camacho, Coordinador de Actividades Estudiantiles del Dra. Guadalupe Maribel Hernández Muñoz, Coordinadora de Administración y Logística del Verano Infantil; Dr. Moisés Hinojosa Rivera, Subdirector de Posgrado, e Ing. Francisco Gastelum Camacho, Coordinador de Actividades Estudiantiles del Capítulo Monterrey de ASHRAE, entregando un reconocimiento. 54 Capítulo Monterrey de ASHRAE, entregó un reconocimiento a cada participante del campamento, quienes tuvieron la oportunidad de realizar diversas actividades de robótica, aeromodelismo y computación, además de que conocieron algunos laboratorios de la FIME. II. INAUGURACION DEL LIITE-FIME El pasado 16 de agosto fue inaugurado en la FIME el Laboratorio de Investigación e Innovación en Tecnología Energética (LIITE) en el que se desarrollarán trabajos científicos orientados a aspectos energéticos y fuentes alternas. La ceremonia de inauguración fue presidida por el Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, y por el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME. En ese mismo evento se firmó un convenio entre la UANL y la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC, Brasil), representada por la Dra. Roselane Neckel, Rectora de esa universidad, para proyectos de intercambio académico, fortalecimiento del posgrado y en materia de investigación; así como la puesta en marcha de una planta de energía solar que se instaló en el Polideportivo FIME. También se incluyó un convenio específico entre la FIME-LIITE y el Laboratorio de Investigación en Refrigeración y TermofísicaPolo de la UFSC, buscando un esquema de colaboración LIITE de la FIME con Whirlpool, México, similar al que opera entre el laboratorio Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Eventos y reconocimientos Polo de la UFSC con Whirlpool, Brasil. A este respecto se contó con la presencia del Ing. Raúl García Martínez, Director de Tecnología de Whirpool de México. IV. PREMIO A LA MEJOR TESIS El pasado 29 de agosto se entregaron los premios a la mejor tesis de licenciatura y maestría. La M.C. Karen Adriana Bustos Torres, de la FIME, fue distinguida con el Premio a la Mejor Tesis de Maestría en el área de Ingeniería, Tecnología y Arquitectura, con el trabajo “Influencia de la Morfología de ZnO en la fotooxidación de polipropileno”, asesorada por la Dra. Sofía Vázquez Rodríguez, Autoridades e invitados presentes en la inauguración del Laboratorio de Investigación e Innovación en Tecnología Energética. III. WORKSHOP MÉXICO-BRASIL El pasado 15 de agosto el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) de la FIME llevó a cabo el Workshop México-Brasil, en el que se tuvieron talleres especializados, donde el Dr. José Enrique De Sousa Damiani, Investigador Titular de la División de Ingeniería MecánicaAeronáutica del Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) de Brasil, pudo constatar los trabajos desarrollados en el CIIIA. Participantes del Workshop México-Brasil. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 Desde la izquierda, M.C. Karen Adriana Bustos Torres, premiada de la FIME; M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME; Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; y Dra. Sofía Vázquez Rodríguez, profesora del Programa de Doctorado de la FIME. V. PREMIO DE INVESTIGACIÓN UANL El pasado 29 de agosto se entregó el Premio de Investigación UANL 2013, con el cual se reconocen los mejores trabajos del quehacer universitario en siete áreas del conocimiento: Ciencias Sociales, Exactas, Naturales, de la Salud, de la Tierra y Agropecuarias, Humanidades e Ingeniería y Tecnología. La FIME fue reconocida en dos áreas: en Ingeniería y Tecnología con el trabajo “Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación de contaminantes orgánicos de agua” desarrollado por el Dr. Azael Martínez de la Cruz y la Dra. Diana Berenice Hernández Uresti; y en el área de Ciencias Sociales con el trabajo “Modelo Probabilístico de Quiebra para pequeñas y medianas empresas mexicanas. 55 �Eventos y reconocimientos Una herramienta para la toma de decisiones” presentado por el Dr. Juvencio Jaramillo Garza y el Dr. Jesús Fernando Issac García. de la UANL. El evento estuvo encabezado por el Gobernador del Estado de Nuevo León, Lic. Rodrigo Medina de la Cruz, y el Rector de la UANL. En esta ocasión se impuso el nombre “Los Rectores” al Circuito Interior de CU y se develaron estelas conmemorativas al pie de la escultura “Flammam”. Dr. Azael Martínez de la Cruz (izq.), premiado en el área de Ingeniería y Tecnología, y el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME. VI. 80 ANIVERSARIO DE LA UANL El pasado 25 de septiembre se reunió la comunidad universitaria en la explanada de la rectoría para celebrar el octagésimo aniversario 56 Autoridades universitarias e invitados durante la celebración del 80 aniversario de la UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Junio - Agosto 2013 Marisa Elizabeth Vigil Ramírez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 3 de junio de 2013. J a v i e r Tre v i ñ o G u e r re ro , M a e s t r í a e n Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 4 de junio de 2013. Raúl Cesar Lozano Guerra, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 5 de junio de 2013. Francisco Hazael Moreno Rivera, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Análisis comparativo del sistema ligante en las propiedades mecano-físicas en concretos refractarios aluminosos”, 10 de junio de 2013. Gerardo Antonio Betancourt Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 10 de junio de 2013. Fernando Elizalde Ramírez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Planificación dinámica de rutas del transporte público a partir de los requerimientos del usuario”, 11 de junio de 2013. Jesús Gabino Puente Córdova, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis y caracterización de un material híbrido de matriz polimérica de polivinil butiral”, 12 de junio de 2013. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 Luis Ernesto Jasso Ramos, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Nanopartículas de poli(dimetilsiloxano) con grafeno o nanopartículas cortas de nylon”, 12 de junio de 2013. Alma Lilia Pérez García, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Factores en la gestión logística mexicana que intervienen en la competitividad global de las empresas”, 14 de junio de 2013. Carlos Alberto Rosas Aguilar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 18 de junio de 2013. Omero Santillán Milán, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 18 de Junio de 2013. Alan Arturo Moreno Gutiérrez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 18 de junio de 2013. María Elena de Jesús Alvarado Jasso, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 18 de junio de 2013. Iván Bosque Leal, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de junio de 2013. Carlos Eduardo Castillo Alonso, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de junio de 2013. 57 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Humberto Gámez Rabago, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 26 de junio de 2013. Cristina Maya Padrón, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Modelación de planes de estudio usando técnicas avanzadas de planificación”, 27 de junio de 2013. Jorge Tanos Susarrey, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 28 de junio de 2013. Sergio Vladimir Garza Mendoza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 28 de junio de 2013. Gisela Rodríguez Hernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 28 de junio de 2013. Víctor Hugo Ponce Galicia, Maestría en Ingeniería de la Información, Informática, (Por materias), 1 de julio de 2013. Selene Treviño Medina, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 1 de julio de 2013. Verónica Camarillo Castro, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio in vivo de oseointegración en implantes dentales de Ti- 6 AI -4V con superficies modificadas”, 3 de julio de 2013. José Alfredo Ávila Cardona, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 4 de julio de 2013. Jorge Martínez Paredes, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 4 de julio de 2013. Juan Carlos García Álvarez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 8 de julio de 2013. Enrique Alejandro González Cantú, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 8 de julio de 2013. 58 Meng Yen Shih, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Sistemas Eléctricos de Potencia, “Real time coordination of overcurrent reloys by means of optimization algorithm”, 8 de julio de 2013. Victoria Marisela Gutiérrez López, Maestría en Ciencias de la ingeniería Mecánica con especialidad en materiales, “Síntesis y caracterización de resinas de curado rápido para la elaboración de componentes herméticos de iluminación automotriz”, 11 de julio de 2013. Manuel Alejandro González Abrego, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Preparación de fibras de TiO2 mediante la técnica de hilado por soplado”, 11 de julio de 2013. Jesús Cázares Coronado, Maestría en Ingeniería con orientación Mecánica, (Por materias), 11 de julio de 2013. Víctor Hugo Garza Cárdenas, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 12 de julio del 2013. Cindy Johena Niño Partida, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Influencia del reuso de porcelana de desecho sobre las propiedades de una porcelana triaxial”, 12 de julio de 2013. Julio Martínez Torres, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por materias), 15 de julio del 2013. Alejandro Elizondo Almaguer, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 15 de julio de 2013. Fernando Salinas Garibay, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 16 de julio de 2013. Allan Giovanni Soriano Sánchez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Orientación en Control Automático, “Sincronización de redes complejas con atractores caóticos de multiples enrrollamientos: Aplicado al encriptado de datos”, 16 de julio de 2013. Rafael Olivares Arredondo, Maestría en Ingeniería de la Información, Informática, “Construcción Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL de perfiles de usuario a partir de repositiorios de información personal”, 16 de julio de 2013. Fernando Manuel Rodríguez Aldape, Maestría en Ingeniería de la Información, “Inteligencia Artificial, Cuantificación del interés de un usuario en un tema mediante minería de texto y análisis de sentimiento”, 16 de julio de 2013. Carlos Alberto Vázquez Rodríguez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización del comportamiento de corrosión en pruebas aceleradas para acero galvanizado y pintado”, 17 de julio de 2013. Adrian Esau Contreras Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Optimización del proceso de forja abierta para evitar defectos internos”, 18 de julio de 2013. Carlos Eduardo Márquez de la Torre, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Tratamiento térmico en anillos de acero AISI 4140”, 18 de julio de 2013. Gabriela Melissa Valadéz Sánchez, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de julio de 2013. Ali Gabriel Sánchez Luna, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 23 de julio de 2013. Carlos Alfonso Rodríguez Vázquez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Patrones y mecanismos de fractura en los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras”, 25 de julio de 2013. Karla Alejandra Leyva González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización de la precipitación en un material compuesto aleación 7075 realizada con grafeno”, 26 de julio de 2013. María Eugenia Gómez González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 29 de julio de 2013. Rosarito Falcón Zertuche, Maestría en logística y cadena de suministro, “Diseño y análisis, Establecer el flujo de procesos de los mantenimientos a vehículos dentro de una empresa”, 29 de julio de 2013. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 Elisa María Gallo González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 1 de agosto de 2013. Deissy Nallely Pérez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 7 de agosto de 2013. Reynaldo Esparza Robles, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 12 de agosto de 2013. Hiram Overlin Flores Cruz, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por materias), 13 de agosto de 2013. Arturo Nieto Méndez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 15 de agosto de 2013. Jorge Luis Rivera Pacheco, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 15 de agosto de 2013. Perla Janeth Rodríguez Guevara, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 15 de agosto de 2013. Andrés Gómez Torres, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 16 de agosto de 2013. Edgar Andrade Drías, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Producción y Calidad, 19 de agosto del 2013. Brenda Marisol Meza Torres, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 21 de agosto de 2013. José Raúl García Lugo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Sistemas Eléctricos de Potencia, “Control directo del par de un motor de inducción usando un convertidor multinivel”, 22 de agosto de 2013. Selene Escobar Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 22 de agosto de 2013. 59 �Jorge David Bacelis Lara, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, 22 de agosto de 2013. Carmen Guadalupe González Galindo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 22 de agosto de 2013. Meztli Natalia Martínez Pérez, Maestría en 60 Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 26 de agosto de 2013. Ricardo Cortés Frías, Maestría en Ciencias de la Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Influencia de la Familia en el aprovechamiento escolar del adolescente”, 29 de agosto de 2013. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Acuse de recibo PHYSICS EDUCATION JART El Institute of Physics es una sociedad científica basada en Inglaterra que, entre otras actividades, edita la revista Physics Education. El objetivo de la revista es la enseñanza de los fundamentos de la física a estudiantes de todos los niveles educativos, elemental a pregrado. Para lograr los objetivos pedagógicos, se presentan experimentos sencillos que aplican los principios básicos de la física con los recursos disponibles en un ambiente escolar. Un artículo reciente, en su edición de septiembre de 2013, presenta cómo construir en el aula una balanza para la medición precisa de la masa de los objetos utilizando un electroimán, con el mismo principio que utilizan los equipos más modernos y precisos. El acceso a artículos selectos es gratuito. La revista se encuentra disponible en http:// iopscience.iop.org/0031-9120/ El Journal of Applied Research and Technology (ISSN 1665-6423) se publica cada cuatro meses por el Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico de la Universidad Nacional Autónoma de México. La cobertura contempla acústica y vibraciones, biotecnología, cibernética y sistemas, computadoras y tecnologías de la información, electrónica e ingeniería eléctrica, ambiental, biomédica, de producto, industrial, mecánica y térmica, química, sísmica, materiales y sensores, metrología, nanotecnología, óptica, procesamiento de señales e imágenes, sistemas de control, software y tecnología educativos y telecomunicaciones. A pesar de la amplia cobertura de las áreas científicas-tecnológicas, los números particulares tienden a agrupar los diferentes tópicos hasta que en conjunto todos tienen su lugar. Esta revista se puede encontrar http://www.jart.ccadet. unam.mx Zarel Valdez Nava Juan Antonio Aguilar Garib Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 61 �Colaboradores Barrón Granados, Juan Francisco Gerente del departamento de investigación y desarrollo de Reacciones Químicas S.A. de C.V. Castillo Rodríguez, Guadalupe Alan Ingeniero Mecánico Electricista, Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Maestro en Ciencia de Materiales por la Technische Universität Clausthal, Alemania. A sido colaborador en el CIDT del Grupo Peñoles, Subdirector de la División de Estudios de Posgrado de la FIME, así como Director de Investigación de la UANL. Es Profesor/Investigador de la FIME-UANL y Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Sus líneas de interés son los materiales cerámicos y refractarios. Cepeda Mújica, Denisse Arantxa Estudiante de 7mo. semestre de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica en Ingeniería en Aeronáutica. Se desempeña actualmente como Becaria en el Laboratorio de Materiales Aeroespaciales en el Centro de Investigación e Innovación de Ingeniería en Aeronáutica y está llevando a cabo sus prácticas profesionales en la empresa denominada Reacciones Químicas S.A. de C.V. La estudiante ha realizado trabajos de investigación en colaboración con el CIIIA en relación al concreto polimérico Das Roy, Tushar Kanty Bachelor of Science por la Universidad de Calcuta en India, Maestría en Ingeniería de Metalurgia y Cerámica por la Universidad Técnica 62 de Berlín, Alemania, Doctor en Ingeniería de Materiales, por la Facultad de Minería, Metalurgia y Mecánica de la Universidad Técnica Clausthal, Alemania. Tiene una amplia experiencia laboral de investigación en empresas como Didier Werke, A.G. Alemania Financial, Mining, Industrial and Shipping Corporation, Atenas, Grecia y en Grupo Peñoles, México. Es Profesor/Investigador de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Sus líneas de interés son los materiales cerámicos y refractarios. Duncan Flores, Elsa Abigail Estudiante de la UANL-FIME, se desempeña actualmente como becaria en el laboratorio de materiales aeroespaciales en el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA)de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. La estudiante cuenta con una participacion en XXII International Material Research Congress por su investigación en concretos poliméricos. Actualmente cursa el 8º semestre de la carrera de Ingeniería en Aeronáutica. García Montes, Saida Mayela Licenciada Química Industrial (2008) y Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2011) por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Es candidata a Doctora en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Gómez de la Fuente, María Idalia Doctora en Ciencia de Materiales (1998) y Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (1994) por la Facultad de Ingeniería Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Colaboradores Mecánica y Eléctrica de la UANL. Licenciada en Física (1988), Universidad Autónoma de Tamaulipas. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel 1, y actualmente es profesora-investigadora en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y editora de la revista Química Hoy, publicada en esa misma facultad. Hernández Urésti, Diana Berenice Ingeniero Mecánico Administrador por la UANL y Maestro en Ciencias con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Obtuvo su Doctorado en Ingeniería de Materiales en el área de fotocatálisis heterogénea en la FIME-UANL. Ha realizado estancias de investigación en Francia y Corea del Sur. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel C. Lizcano Zulaica, Carlos Javier Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Diplomado en siderurgia en la república federal de Alemania y una amplia experiencia laboral y científica de más de 30 años en la industria siderúrgica en compañías como Fundidora Monterrey, Hylsa y Ternium. Profesor/Investigador jubilado de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Investiga los fenómenos mecánicos en diferentes materiales, especialmente en acero; desarrollo de nuevos aceros y nuevos procesos de fabricación de acero, así como también desarrollo de modelos termodinámicos y termomecánicos de procesos siderúrgicos. Luna Criado, Carlos Doctorado en Física con especialidad en Física de la Materia Condensada y licenciado en Ciencias Físicas con especialidad en Física Teórica por la Universidad Autónoma de Madrid, España. Durante sus estudios doctorales participó en varios proyectos de investigación en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, España, y realizó una estancia postdoctoral en el Laboratorio de Magnetismo Molecular de la Universidad de Florencia, Italia. Actualmente es profesor-investigador de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la Universidad Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 Autónoma de Nuevo León. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores con nivel I y cuenta con el reconocimiento de Perfil deseable para Profesores de Tiempo Completo (PROMEP). Es líder del cuerpo académico “Física de los sistemas de baja dimensionalidad y sus aplicaciones” de la FCFM de la UANL. Es coordinador del laboratorio “Física de los sistemas de baja dimensionalidad” del Centro de Investigación en Físico Matemáticas (FCFM, UANL). Martínez Arellano, Alma Gisela Maestra en Ciencia y Tecnología de Polímeros, actualmente ocupa el cargo de Jefa de Investigacion y Desarrollo de la empresa Reacciones Quimicas. Egresada de la Licenciatura en Química Industrial de la UANL generación 2004, estudió una maestría en Ciencias en el Centro de Investigación en Química Avanzada concluyendo dichos estudios en el 2007. Ingresa a laborar a Reacciones Químicas en ese mismo año como Investigadora de Recubrimientos y posteriormente continua su trayectoria como Investigador de Procesos, el éxito en este trabajo le ha llevado a cosechar entre otros logros la Jefatura del departamento de Investigación y Desarrollo desde el año 2011. Martínez de la Cruz, Azael Licenciado en Química Industrial por la UANL y Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense de Madrid. Actualmente es profesor Investigador en FIME- CIIDIT-UANL, ha obtenido 5 premios de Investigación UANL, 2 reconocimientos Como asesor de la mejor Tesis de Maestría por la UANL y 3 Premios Nacionales de Investigación. Miembro del SNI, nivel 2. Mendoza Reséndez, Raquel Ingeniera Química y Maestra en Ciencias con orientación en Ingeniería Cerámica por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Doctora en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid, España. Realizó una estancia posdoctoral en la Universidad de Florencia, Italia. Es Profesora Investigadora de Tiempo Completo, en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Cuenta con el reconocimiento del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel 1 y con el Perfil deseable para Profesores de Tiempo Completo (PROMEP). 63 �Colaboradores Morales Ibarra, Rodolfo Profesor-Investigador de la UANL-FIME, desempeña actualmente el cargo de jefe del laboratorio de materiales aeroespaciales en el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. El Profesor Morales es Ingeniero en Materiales egresado de la FIME-UANL, donde cursó también una Maestría en Administración de Negocios Industriales; posteriormente cursó una Maestría en Ciencias de la Ingeniería Aeroespacial con orientación en Estructuras y Materiales Compuestos en la Université de Bordeaux en Francia. Actualmente está concluyendo el Doctorado en el Programa de Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL sobre un proyecto en colaboración con la Universidad de Kumamoto en Japón, con apoyo de CONACYT. Pinzón Galvis, Sandra Sandra Pinzón Galvis: Ingeniera civil de la Universidad Santo Tomás de Aquino, sede Bogotá. aspirante a Magister en Gestión Urbana de la Universidad Piloto de Colombia, sede Bogotá. Docente tiempo completo de la Universidad Piloto de Colombia- Seccional Alto Magdalena, sede GirardotColombia, Director de la línea de investigación en materiales de la región. Puente Ornelas, Rodrigo Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad 64 Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor/Investigador de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Investiga los fenómenos de corrosión en materiales refractarios y aceros de refuerzo, desarrollo de nuevos materiales refractarios, cementicios y termoeléctricos, así como la utilización de materiales suplementarios y desechos industriales para el mejoramiento de las propiedades fisicoquímicas y de durabilidad de pastas, morteros y concretos. Vázquez Méndez, Bertha Alicia Lic. en Química Industrial (FCQ-UANL), Maestra en Ciencias con especialidad en Ingeniería Cerámica (Posgrado FCQ-UANL) y Doctora en Ciencias con especialidad en corrosión de materiales refractarios por la Universidad Autónoma de Madrid en España, llevado a cabo en el Instituto de Cerámica y Vidrio del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ICV-CSIC). Profesor/ Investigador actualmente de la FACPYA-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Líneas de Investigación: Ciencia de los Materiales Tradicionales y Avanzados, Química del Estado Sólido, Diagramas de Equilibrio de Fases, Materiales Refractarios, Síntesis y Caracterización de Materiales, Reutilización de Materiales de desecho para su aplicación en el mejoramiento de las propiedades de la industria cerámica (cemento, vidrio, refractarios, materiales funcionales, etc) y Corrosión de Materiales Refractarios. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 65 �66 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2013 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 16 Número Número de la revista 61 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2013, Año 16, No 61, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2013 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020824 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Coque de petróleo Corrosión Fotocatálisis heterogénea Horno gasificador Nanoelipsoides Refractarios https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20783/Ingenierias_2013_Ano_16_No_60_Julio-Septiembre.pdf 838909f61d84d7fc75c52e02c13128d4 PDF Text Text �Contenido Julio-Septiembre de 2013, Año XVI, No. 60 60 2 Directorio 3 Editorial: Generación de conocimiento frente a propiedad intelectual Antonio García Loera 7 Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio Ana María Guzmán Hernández, Claudia Elizabeth Amaro Cortés, Guadalupe Alan Castillo Rodríguez 14 Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP Daniel Guillén, Gina Idárraga Ospina 20 27 35 Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad Edmundo Derbez García Microinterruptor magnético con material híbrido Fralett Suárez Sandoval, Beatriz Cristina López Walle Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos David Coureaux Mustelier, Alexey Goéz Úsuga, Blanca Reig López, Luis Miguel Llanes Pitarch 41 Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol bencílico en estados subcríticos y supercríticos Rodolfo Morales Ibarra, Mitsuru Sasaki, Motonobu Goto, Armando T. Quitain, Saida Mayela García Montes 53 Eventos y reconocimientos 56 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 59 Acuse de recibo 60 Colaboradores 63 Información para colaboradores Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 1 �Ingenierías, Año XVI, N° 60, julioseptiembre 2013. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. 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Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH 2 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 �Editorial: Generación de conocimiento frente a propiedad intelectual Antonio García Loera FIME-UANL drgloera@live.com.mx En la historia reciente se han considerado como elementos fundamentales para el desarrollo de una nación la educación, y la generación y aplicación del conocimiento. Esta afirmación toma mayor énfasis tras la formación de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE), y se puede observar que estos factores se incluyen cada vez con mayor frecuencia en los planes de desarrollo de los países. La generación de conocimiento puede llevarse a cabo mediante acciones individuales de hombres de ciencia, o bien a través de esfuerzos conjuntos de estructuras sociales tales como el clero, el gobierno y, sobre todo, las universidades e incluso de las empresas. A través de la historia, las universidades se han caracterizado por su labor como entes generadores de conocimiento en diversos ámbitos que incluyen las ciencias sociales, ciencias de la salud, física, química e ingeniería. La motivación para llevar a cabo actividades que llevan a la generación de conocimiento puede ser la satisfacción de una necesidad, o bien simplemente por el deseo filosófico de conocer. Independientemente del motivo se requieren recursos para que estas actividades se desarrollen, tanto para la investigación en sí como para el sustento de los investigadores. Las primeras universidades eran por definición una estructura en la que se reunían profesores y académicos cuyas actividades estaban patrocinadas por príncipes o prelados, cuyos proyectos contribuían a la sustentación de su poder en su momento de la historia. Estos proyectos corresponderían en la actualidad a aquellos clasificados arbitrariamente como “aplicados” porque tienen su origen en una demanda específica en contraste con los proyectos “básicos” que se suponen de interés público, sin que el momento en que se produce tenga un cliente o usuario específico. La investigación básica normalmente es financiada por el gobierno y patrocinadores interesados en la formación de recursos humanos, mientras que la investigación aplicada tiene un solicitante que tiene una demanda específica. Sin embargo, la universidad no renuncia a su interés de poner a disposición de la sociedad los conocimientos generados y cada vez se organiza mejor, como se puede constatar con la creación de centros de investigación en los que se llevan a cabo estas actividades que le permiten aprovechar su capacidad para desarrollar investigación tanto básica como aplicada. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 3 �Generación de conocimiento frente a propiedad intelectual / Antonio García Loera. La intención de satisfacer los requerimientos de un solicitante particular provocó el nacimiento de un nuevo tipo de transacción mercantil: La venta del conocimiento. Ahora el conocimiento era generado para una entidad física y/o moral, no necesariamente en universidades, obteniendo un beneficio material a partir de esta venta. Lo anterior dio pie a una nueva incógnita: ¿Cuánto cuesta generar el conocimiento? Esta pregunta resulta difícil de contextualizar y sólo puede ser contestada bajo condiciones particulares; se puede establecer un valor base si se contabilizan los insumos, los costos de operación, de infraestructura utilizada y el salario de los investigadores según el tiempo dedicado. No obstante, la esencia del conocimiento, la idea medular que impulsó a la solución, siempre resultará complicada de tasar debido a las condiciones fluctuantes de oferta y demanda. Las condiciones bursátiles de los productos generados con el conocimiento hacen que el valor monetario de la transferencia de conocimiento tenga una apreciación variable conforme pasa el tiempo, según el impacto económico que se logre en el futuro. Por ejemplo, resulta complicado imaginar el valor económico de los conocimientos generados por Galileo Galilei considerando la posibilidad de aplicación en su tiempo, y aun hoy, aunque no hay duda de que las contribuciones de Galileo son valiosas, resulta difícil cuantificarlas. Se ha dicho “de Galileo” así que fuera de escenarios hipotéticos, se sugiere que el conocimiento puede tener un dueño, y se podría hablar de propiedad intelectual. Bajo este contexto, el conocimiento dejó de ser del dominio público para establecerse como un derecho patrimonial de uno o varios individuos. El incremento en la demanda de conocimiento para fines de aplicación que se hace a las universidades ha derivado en una evolución en la motivación para la generación de conocimiento, que deja de tener carácter público, dejando que los interesados que la financian lo posean para fines particulares, transformándolo en una propiedad intelectual o industrial. Esta evolución indujo reglamentaciones jurídicas alrededor del mundo para proteger el derecho patrimonial de la propiedad intelectual. El vínculo entre el conocimiento y su autor es un derecho innato que no puede transgredirse; el reconocimiento de autoría está protegido por múltiples leyes internacionales con la finalidad de hacer válido dicho derecho moral. Por otra parte, es posible transferir los derechos de explotación hacia terceros con la finalidad de percibir una retribución económica, y esto finalmente es lo que permite concebir la transacción mercantil del conocimiento. Actualmente las transacciones asociadas a la transferencia de tecnología pueden ser negociadas mediante aportaciones económicas fijas o bien a través de porcentajes de participaciones derivadas de las ventas del producto que fue innovado. Dicho lo anterior, podemos señalar que la concepción del conocimiento a priori no implica cauces jurídicos que justifiquen su pertenencia; no obstante al hablar de propiedad intelectual convertimos al conocimiento en un instrumento mercantil que debe ajustarse a la normativa socioeconómica de un entorno regional, nacional o internacional. En la actualidad, las universidades confrontan la dualidad de la generación del conocimiento y la generación de propiedad intelectual. Por una parte, la naturaleza 4 © Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 �Generación de conocimiento frente a propiedad intelectual / Antonio García Loera. de desarrollo y difusión libre de los conocimientos, y por otra, la búsqueda de recursos a través de la privatización y venta del conocimiento; ambas posturas son válidas y loables siempre y cuando exista un balance entre ellas. Se pueden destacar tres escenarios posibles para poder esquematizar un balance apropiado de políticas de investigación y desarrollo dentro de las universidades: A) Generación mayoritaria de conocimiento básico. Al tenor de esta primicia la vinculación con industriales resulta poco viable, por lo cual el fondeo de la investigación tendrá que ser acreditado por instancias no lucrativas, las cuales son escasas y por ende los programas de investigación tendrán limitantes inherentes al presupuesto. La generación de conocimiento en este caso es una función del estado a través de mecanismos de apoyo gubernamentales. B) Generación mayoritaria de propiedad intelectual bajo demanda específica. En este esquema los fondos de investigación deben ser cubiertos por el solicitante, que bien podría ser la industria. No obstante la transferencia propia de la propiedad intelectual es generalmente subestimada en el contexto industrial mexicano, ya que existe predisposición por parte de los solicitantes para pensar que el pago de una investigación se resume a los gastos de operación; es común que se suponga que una función de los investigadores en las universidades es realizar esas tareas por lo que no requieren pago. Ni hablar del pago de la innovación que per se es desestimado y si a esto añadimos el recurrente status de urgencia que se da para iniciar el proyecto, la situación resulta poco favorable para realizar una negociación equitativa en términos del costo – beneficio que obtendrían los industriales. Más allá del problema de una venta no equitativa de la propiedad intelectual, existe el riesgo de caer en una laguna de ausencia de creatividad debido a la falta de generación de conocimiento básico que expanda las ideas que en un momento dado puedan aplicarse a un desarrollo tecnológico industrial. C) Generación mayoritaria de propiedad intelectual sin que exista un solicitante. Esta política representa un riesgo de caer en la tentación de desear patentar todo sin considerar que no existe ningún interés comercial detrás que sustente los costos de investigación realizados. Millones de patentes y derechos patrimoniales han sido registrados, pero es importante destacar que el hecho de establecer una propiedad intelectual no necesariamente significa que deba o tenga que ser utilizada. El hecho de no contar con un vínculo industrial inicial para concebir la propiedad intelectual otorga la libertad de negociar la venta de la misma sin la premura de comenzar el proyecto o bien sin los vicios de un financiamiento industrial que subestime al desarrollo. Es diferente negociar con una idea que necesita ser desarrollada a tratar la venta de un producto que ya fue desarrollado y comprobado. En definitiva, este esquema requiere dos componentes importantes: un análisis de pertinencia industrial para lograr hacerla atractiva al mercado comercial, y una estructura administrativa que realice un trabajo de promoción de los desarrollos previamente patentados para obtener un fondeo recurrente para nuevos desarrollos. Estos escenarios difieren fundamentalmente en el origen de los recursos para desarrollar la generación de conocimiento en función de su posible destinatario. Aunque no se hace una alusión directa al costo de esta generación, si se menciona que el apoyo puede ser gubernamental, donde la negociación Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 5 �Generación de conocimiento frente propiedad intelectual / Antonio García Loera. para la asignación de recursos no es particular, sino que estaría sujeta a un sistema de convocatorias y de demandas, según el análisis que realice el estado a través de diferentes mecanismos, tales como las consultas y las actividades de comisiones específicas. En este caso las universidades pueden llevar a cabo dentro del marco de sus propios reglamentos, la formación de recursos humanos y la generación divulgación del conocimiento libremente. En este modo, el valor de estas actividades está estrechamente relacionado con el costo de operación de los proyectos. El escenario que se da bajo demanda específica es el que requiere mayor atención, pues aquí es donde el valor de los conocimientos integra aspectos de mercado y de potencial de aplicación. Este esquema podría garantizar los recursos económicos y materiales necesarios para la ejecución de un proyecto, e incluso ofrecer una beneficio en términos de rentabilidad para las entidades participantes, pero es el que también requiere mayor atención en cuanto a la negociación de sus condiciones en términos de los compromisos de las universidades y los deseos de los solicitantes. Un escenario en que se genera conocimiento sin que haya ningún solicitante ni una convocatoria gubernamental es más difícil de tratar, porque el éxito de estos proyectos no se puede conocer hasta que se tiene una aplicación que brinde alguna forma de beneficio. Este esquema funcionaría solamente en situaciones en las que haya disposición a invertir capital de riesgo en las condiciones que este tipo de inversionistas establecen. Para lograr equilibrar las políticas de investigación y desarrollo, es necesario fomentar la generación de conocimiento básico para incrementar el acervo de creatividad, y orientar la mayor cantidad posible de estos conocimientos básicos hacia desarrollos tecnológicos de interés industrial para que puedan ser patentados. Establecer vínculos con entidades industriales y desarrollar proyectos de investigación que incluyan la venta de una propiedad intelectual previamente desarrollada permitirá negociar una mayor cantidad de fondos para futuros conocimientos básicos que induzcan un ciclo autosustentable. En resumen, y desde el punto de vista universitario, la relación sana entre una universidad y la industria, o bien entre la generación de conocimiento y la propiedad intelectual, debe contemplar acuerdos o convenios que valoricen la generación de conocimiento como piedra angular de la propiedad intelectual. El éxito en un programa de financiamiento de proyectos de investigación será directamente proporcional a la valorización y plusvalía tecnológica otorgada a nuestro conocimiento generado. Por consecuencia, el enfoque de la propiedad intelectual debe resumirse a la protección del conocimiento. Bajo esta óptica, el conocimiento generado debe imponerse sobre el concepto de la propiedad intelectual, con el fin de lograr acuerdos industriales equilibrados. Nam et ipsa scientia potestas est. Sir Francis Bacon 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 �Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio Ana María Guzmán Hernández, Claudia Elizabeth Amaro Cortés, Guadalupe Alan Castillo Rodríguez Doctorado en FIME-UANL ana.guzmanhr@uanl.edu.mx RESUMEN Los materiales refractarios más utilizados en hornos de fusión de vidrio son los ladrillos de AZS, los cuales son capaces de permanecer en contacto con vidrio fundido a muy altas temperaturas, sin embargo debido al alto costo de la zirconia es necesario evaluar materias primas alternativas. Se evaluaron dos formulaciones de ladrillos refractarios, la primera utilizando alúmina, zirconia y sílice y la segunda utilizando zircón y bauxita, ambas en contacto con vidrio fundido. PALABRAS CLAVE Bauxitas, refractarios, zirconia, vidrio fundido. ABSTRACT The refractory products most used in glass furnaces are AZS bricks which are able to withstand the contact with molten glass at very high temperatures, however, the cost of zirconia is high and alternative products are worth to study for these process. Two compositions of refractory bricks the first one was alumina-zirconia-silica and the second formulation zircon-bauxite as raw materials in contact with molten glass were evaluated. KEYWORDS Bauxite, refractories, zirconia, molten glass. INTRODUCCIÓN Los materiales refractarios son componentes importantes del equipo utilizado en la producción, refinación y manejo de metales y vidrios; en la construcción de hornos para tratamientos térmicos y en otros equipos de procesos a alta temperatura. Los refractarios deben soportar altas temperaturas sin corroerse o debilitarse por el entorno; los efectos de otras condiciones sobre el medio ambiente tienen un papel significativo en el rendimiento en servicio de los refractarios.1-3 Generalmente, estos productos están compuestos por diversas partículas gruesas de óxidos aglutinadas con un material refractario más fino, el cual al hornearse proporciona la unión. Los óxidos más utilizados para hornos refractarios son Al2O3, MgO, SiO2 y ZrO2. En lo que se refiere a los refractarios utilizados en hornos para la industria del vidrio, una buena alternativa son los refractarios AZS, debido a que el ZrO2 tiene un alto punto de fusión y es uno de los óxidos termodinámicamente más Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 7 �Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio / Ana María Guzmán Hernández, et al. estables. Cuando se coloca en las paredes de los tanques de fusión de vidrio ayuda a eliminar o reducir el desgaste desigual de la línea de corrosión asociada con el movimiento del líquido y efectos del recorrido por la combinación de vidrio y álcalis libres.5 Con respecto a estos productos se han hecho estudios6-9 que indican tiempos de vida largos bajo las condiciones agresivas de los procesos de fusión de vidrio, sin embargo, su costo es extremadamente alto por lo que se requiere el diseño de productos más económicos para este propósito.10-15 Algunas alternativas en materias primas para la fabricación de refractarios AZS son el uso de zircón1617 y bauxita cuya presencia favorece la formación de fases con propiedades altamente refractarias como la mullita. En base a lo anterior, el presente trabajo se enfoca en el análisis del uso de estas materias primas que pudieran ser más económicas para el desarrollo de productos refractarios AZS. en forma de pastillas por prensado uniaxial entre 10 MPa y 12 MPa y se sinterizaron en un horno marca Linderg/Blue con una rapidez de calentamiento de 10 ºC/min hasta alcanzar una temperatura de 1600 ºC con un tiempo de permanencia de 5 hrs. después del cual, se dejaron enfriar hasta temperatura ambiente dentro del horno. Posteriormente, se realizó la prueba de penetración y ataque con vidrio fundido de acuerdo a la Norma ASTM C 874-77, la cual señala.18 √ Cortar probetas de los refractarios en prueba √ Realizar una perforación cilíndrica √ Rellenar la perforación con vidrio √ Quemar las probetas en un horno a 1450 °C durante 4 horas. Después del quemado, se realizó un corte transversal considerando como cara caliente la región en contacto con el vidrio fundido y como cara fría el otro extremo de la muestra para determinar penetración y ataque por medio del Microscopio Electrónico de Barrido. DESARROLLO EXPERIMENTAL Las materias primas utilizadas fueron alúmina, bauxita, sílice, zircón y zirconia, con las cuales se prepararon dos formulaciones (tabla I) que fueron caracterizadas mediante Difracción de Rayos X (DRX) y Microscopía Electrónica de Barrido (MEB). Tabla II. Composición química del vidrio sódico-cálcico. Tabla I. Formulaciones de las materias primas. Composición 1 2 Alúmina (99% Al2O3) 43 -- Bauxita (75% Al2O3) -- 48 Zirconia (99.9% ZrO2) 20 -- Zircón (66% ZrO2) -- 29.5 Sílice (99% SiO2) 37 22.5 Posteriormente, se realizó una prueba de penetración y ataque con vidrio fundido (ver análisis químico en la tabla II) y el análisis postmortem de estos materiales se realizó mediante MEB. Preparación de formulaciones Se mezclaron las proporciones adecuadas de cada materia prima utilizando acetona para la homogeneización; posteriormente se secaron en un horno a 110 ºC por 24 h. Los polvos se compactaron 8 Compuesto Valor obtenido (% peso) Potasio 0.226 Aluminio 0.92 Calcio 7.14 Magnesio 0.16 Sílice 71.16 Sodio 7.80 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se determinó la densidad para cada una de las composiciones sinterizadas a 1600ºC (tabla III), en donde puede observarse que la mayor densidad se obtiene en composiciones fabricadas con bauxita y zircón, lo cual se ve reflejado en menor porosidad y por tanto, mayor resistencia a la penetración por sustancias fundidas. Esta diferencia en densidades puede deberse a una mayor homogeneización en tamaños de partícula de las materias primas (ver Tabla III. Densidades de las pastillas sinterizadas durante 5 horas. Composición 1 2 Densidad (gr/cm3) 5 Horas 2.453 2.707 4.67x10-6 9.12x10-6 Cambio lineal Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio / Ana María Guzmán Hernández, et al. tabla IV), ya que polvos con tamaños de partícula más fino pueden ser sinterizados (densificados) más rápidamente que polvos gruesos.19 Es importante mencionar que la densificación o sinterización por difusión en estado sólido implica una contracción o encogimiento del producto lo cual puede ser observado en la tabla III, por lo que este fenómeno debe ser considerado al momento de fabricar el producto, así como la coloración amarillenta al quemado debida a la presencia de cierto porcentaje de hierro en la bauxita (1.26%). Tabla IV. Distribución de tamaños de partícula. Materia prima Tamaño de partícula (μm) Alúmina 200-300 Bauxita 10-20 Sílice 75 Zirconia 4-6 Zircón 5-10 Fig. 2. DRX composición 2, B=Badeleyita, C=Corindón, M=Mullita y Z=Zircón. La microscopía de la formulación 1 (figura 3) señala una distribución uniforme de tamaños de partícula, fases AZS ricas en sílice (1) y/o zirconio (2), así como la presencia de pequeñas agujas de mullita (3). Ver espectros 1-3. Mientras que para la formulación 2 (figura 4) se tienen granos de AZS (1) con hierro y titanio embebidos (2). Ver espectro 5. DIFRACCIÓN DE RAYOS X Los resultados del análisis de DRX para las muestras sinterizadas señalan la presencia de badeleyita, corindón, cristobalita, mullita y zircón para la formulación 1 (figura 1) y badeleyita, corindón, mullita y zircón para la formulación 2 (figura 2). Fig. 3. Microfotografía correspondiente a la composición 1 sinterizada por 5 horas. Fig. 1. DRX composición 1, B= badeleyita, C= corindón, Cr= cristobalita, M= Mullita y Z= Zircón. Es importante notar la disminución en la proporción de badeleyita, ya que a alrededor de 1000ºC existe una transformación de monoclínica a tetragonal que implica cambios volumétricos alrededor del 9%,18 lo cual puede producir agrietamientos cuando el material se encuentre en funcionamiento. Por otro lado, se tiene mayor formación de mullita fase también altamente refractaria con excelentes propiedades de resistencia física y química.19 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Espectro 1. Análisis químico correspondiente a la fase AZS rica en sílice. 9 �Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio / Ana María Guzmán Hernández, et al. Espectro 2. Análisis químico de los granos blancos. Espectro 3. Análisis químico de las agujas. Fig. 4. Microfotografía de la composición 3 sinterizada por 5 horas. Microscopía electrónica de barrido muestras post-mortem En la figura 5a se puede observar la muestra general correspondiente a la formulación 1, en donde se detecta baja porosidad en la cara caliente debido a la penetración del vidrio fundido, lo cual puede afirmarse por el análisis químico obtenido mediante espectroscopía dispersiva de rayos X (EDS) en esta 10 Espectro 4. Análisis químico de los granos blancos. Espectro 5. Análisis químico de la zona gris con pequeños puntos blancos. región detectándose una fase AZS (alúmina-zirconiasílice) con calcio y sodio embebidos (espectro 6); conforme se avanza hacia la cara intermedia (figura 5b) ya no se tienen indicios de álcalis (calcio o sodio) correspondientes a la formulación del vidrio sódicocálcico, y se detecta mayor porosidad a medida que se avanza hacia la cara fría (figura 5c). Por otro lado, en la figura 6a se observa baja porosidad en la interfase con la cara caliente debido a la penetración de vidrio fundido lo cual puede corroborarse en el análisis químico obtenido por EDS (espectro 7); a medida que se avanza a lo largo de la muestra se llega a la cara caliente (figura 6b) en donde la porosidad es mayor y ya no se detecta la presencia de calcio o sodio provenientes de vidrio sólo aparecen fases rutilo (impurezas de la bauxita) y AZS (espectro 8). En lo que se refiere a la cara fría (figura 6c) no se detecta la presencia del vidrio solo continúa la fase AZS. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio / Ana María Guzmán Hernández, et al. Fig. 5. Composición 1, a) cara caliente, b) cara intermedia, c) cara fría. Espectro 6. Análisis químico de la cara caliente. Fig. 6. Composición 2, a) cara caliente, b) cara intermedia, c) cara fría. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 11 �Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio / Ana María Guzmán Hernández, et al. CONCLUSIONES En base a los resultados obtenidos se puede concluir lo siguiente: a) En las dos composiciones se observa una microestructura inalterada con buena liga entre partículas a excepción de la cara caliente en donde se detecta formación de productos de bajos puntos de fusión debido a la penetración de vidrio fundido. b) El análisis comparativo de los dos productos sinterizados indica que la composición con bauxita presenta mayor resistencia a la penetración por vidrio fundido debido a que su densidad es mayor y a la formación de una interfase que impide la penetración por vidrio fundido. c) El uso de bauxita representa una buena alternativa como materia prima en la fabricación de productos refractarios base AZS debido a la presencia de fases refractarias como mullita que proporciona mayor resistencia al ataque. Espectro 7. Análisis químico de la cara caliente. Espectro 8. Análisis químico de la cara intermedia. En la tabla V se presenta una comparación de la penetración por vidrio fundido en las dos formulaciones. Dicha comparación se basa en el análisis químico obtenido por EDS para cara caliente; si se consideran los porcentajes de sodio y calcio, se puede decir que hubo menor penetrabilidad en la formulación 2. Tabla V. Comparación de análisis químico obtenido por EDS en cara caliente. No. 1 2 Aluminio 9.48 11.44 Calcio Oxígeno Silicio Valor obtenido (% peso) 4.12 2.49 51.55 50.70 29.28 20.30 Sodio 3.31 1.33 Zirconio 2.28 13.73 12 BIBLIOGRAFÍA 1. F.H. Norton., Refractarios, Ed. Barcelona Blume, 1972. 2. Refractories Manual, American Foundrymens’s Society, Inc. Des Plaines, Illinois, 1994. 3. F.J. Ferrer, El refractario en la fabricación de acero inoxidable”, Bol. Soc. Esp. Ceram. V., 45(5), 363-366 (2006). 4. J.J. Laraudogoitia, A. Ibarrondo, F. González, et. al., Experiencias en el empleo de refractarios en la siderurgia no integral, Bol. Soc. Esp. Ceram. V. 45(5), 358-362 (2006). 5. 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Caballero, J. Requena, S. de Aza, Refractory bauxites. How processing can improve high temperature mechanical properties, Ceramics International, 12, 155-160 (1986). 12.C. Pascoal, V.C. Pandolfelli, Refractory bauxites: chemical composition, phases and properties- Part II, Ceramica, 46(299), 131-138 (2000). Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 13. X. Zhong, Bauxite-based synthetic refractory raw materials, American Ceramic Society Bulletin, 9101-9105, December 2005. 14. Norma ASTM C874-77: Test method for isothermal corrosion resistance of refractories to molten glass. 15. D.W. Richerson, Modern Ceramic Engineering, Ed. Dekker, 2nd ed. 16. S.C. Carniglia, op. cit., p. 166, 1992. 17. Ibid., pp. 138, 150, 227, 1992. 18. Refractories Manual, op. cit., pp. 7-9, 1994. 19. G.I. Vázquez Carbajal, J.L. Rodriguez Galicia, et al., Microstructure and mechanical behavior of alumina-zirconia-mullite refractory materials, Ceramics International, 38 (2012) 1617-1625. 13 �Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP Daniel Guillén, Gina Idárraga Ospina FIME-UANL gidarraga@gmail.com RESUMEN El presente trabajo muestra el comportamiento eléctrico que presenta un transformador de potencia cuando se expone a condiciones de corrientes geomagnéticas inducidas (GIC), que lo hacen operar en la región de saturación y el flujo de campo magnético cambia de acuerdo al diseño del núcleo del transformador. Estas características se pueden calcular mediante técnicas de simulación de elemento finito, y en este trabajo se pretende mostrar el comportamiento de la corriente de excitación y magnetización de un trasformador de potencia cuando se expone a condiciones de GIC utilizando simulación mediante Electromagnetic Transient Program (ATP). PALABRAS CLAVE Transformador, corrientes geomagnéticas inducidas. ABSTRACT This work presents the electrical behavior that a power transformer exibits when it is exposed to induced geomagnetic currents (GIC), which makes it to operate in the saturation region and the magnetic flux changes accordingly to the design of the nucleus of the transformer. This characterisitc can be calculated by means of finite element simulation techniques, and in the aim of this work is to show the behavior of the excitation and magnetization currents of a power tranformer when exposed to GIC conditions using Electromagnetic Transient Program (ATP) software. KEYWORDS Transformer, gemagnetic induced currents. INTRODUCCIÓN En la actualidad ha surgido un gran interés por conocer los efectos que provocan la corrientes geomagnéticas inducidas (GIC) en los equipos que conforman el sistema eléctrico de potencia (SEP), en particular los transformadores de potencia debido a que las GIC se introducen por el neutro de la conexión estrella (Y) al sistema eléctrico. El estudio de este fenómeno nace a raíz de mitigar el impacto 14 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP / Daniel Guillén, et al. de los disturbios magnéticos solares (normalmente llamados disturbios geomagnéticos) en sistemas eléctricos de potencia, debido a que desde hace varios años se han reportado una serie de tormentas geomagnéticas, mejor conocidas como tormentas solares, las cuales modifican los campos magnéticos de la tierra en amplias zonas geográficas debido a las partículas solares que interactúan con la magnetósfera, induciendo corrientes que fluyen a través de los sistemas aterrizados. Por está razón el interés de estudiar el efecto que provocan las GIC en transformadores de potencia, considerando que en los próximos años se espera un incremento en la actividad solar. Las GIC se caracterizan por ser señales de baja frecuencia cuyo rango reportado se encuentra entre 0.001 y 0.1Hz,1,2 esto permite que la señal de GIC pueda considerarse como una señal de corriente directa. Entonces, durante el periodo que el transformador de potencia se expone a condiciones de GIC, este se encuentra bajo excitación de corriente alterna (CA) y corriente directa (CD). TEORÍA DEL TRANSFORMADOR Un transformador al ser excitado por una fuente de CD no es capaz de magnetizar su núcleo de acuerdo con la ley de inducción de Faraday,3 sin embargo al ser alimentado con una fuente de voltaje de CA el transformador se magnetiza y como resultado se induce un voltaje en el lado secundario del transformador, este voltaje inducido de acuerdo “al modelo mostrado en la figura 1” se puede expresar de la siguiente manera: eind _ ca = vca − R p iexc − L p diexc dt (1) donde: iexc representa la corriente de excitación, la cual es la suma de la corriente de magnetización (corriente que pasa por la inductancia no lineal, Lm) y la corriente que fluye por la resistencia del núcleo (Rm), vca es el voltaje de excitación de CA, Rp y Lp son la resistencia e inductancia del transformador referida al lado primario. Si ahora se considera que el transformador es alimentado por una fuente de CD y una de CA, el transformador se magnetizará y por lo tanto existe voltaje inducido que provoca un flujo de campo magnético a través de su núcleo diferente al producido por la fuente de CA. Esto es muy similar a lo que ocurre con un transformador de potencia bajo condiciones de GIC, entonces (1) se puede reescribir como: eind _ tot = vcd + vca − R p iexc − L p diexc dt (2) De la ecuación (2), se puede ver que el voltaje inducido depende de la respuesta de ambas fuentes CA y CD, por lo tanto el flujo magnético a través del núcleo del transformador será también la suma de ambas respuestas: φ = φcd + φca (3) En el momento que se comienza a incrementar el flujo magnético a través del núcleo del transformador, este tiende a trabajar en la región de saturación, la cual dependerá de las características propias del material ferromagnético. En la ecuación (3), las respuestas de CA y CD se pueden expresar de la siguiente manera: 1 eind _ ca d (t ) N∫ AN mI cd φcd = l φca = (4) donde: A representa el área de la sección del núcleo, N es el número de vueltas del transformador, μ es la permeabilidad del material ferromagnético, l representa la longitud de la sección del núcleo y finalmente Icd es la corriente de DC o GIC que fluye a través del núcleo. Fig. 1. Modelo simplificado del transformador. EFECTOS GENERADOS POR LAS GIC EN TRANSFORMADORES En el momento que se introducen las GIC por el neutro del transformador, este tiende a cambiar su punto de operación de acuerdo con Masoum Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 15 �Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP / Daniel Guillén, et al. y Albertson 4,5 el nuevo punto de operación del transformador tiende a estar en la región de saturación, lo cual genera una serie de inconvenientes no deseados para el equipo. Donde: k es factor que depende del diseño del núcleo del transformador, GIC es la corriente que fluye por el neutro del transformador y Q0 es la potencia reactiva en condiciones normales. A. Saturación El flujo de GIC por el núcleo del transformador provoca un flujo magnético mayor que en condiciones normales de operación; si el flujo magnético incrementa a razón de GIC, el núcleo del transformador tiende a saturarse debido a que su nuevo punto de operación estará en la región de saturación, esto provoca que la señal de la corriente de excitación se encuentre saturada cada medio ciclo. En el momento que el transformador alcanza el nuevo punto de operación se dice que está en equilibrio de saturación.6 COMPORTAMIENTO DEL TRANSFORMADOR EN CONDICIONES DE GIC Con el objetivo de ejemplificar el comportamiento de la corriente de excitación en un transformador de potencia bajo condiciones de GIC, se utilizó “el esquema mostrado en la figura 2”, donde el circuito representa el modelo simplificado de un transformador cuyos datos son: 240 MVA, 230/500 kV con una reactancia de dispersión del 8 %. B. Distorsión Armónica En el instante que el núcleo del transformador se satura debido al flujo GIC, la corriente de excitación se distorsiona notablemente provocando un aumento en las magnitudes de las componentes armónicas, las cuales se incrementan a razón del valor de GIC. Entre mayor es el valor de GIC, mayor será la distorsión armónica total (THD) de la corriente de excitación del transformador. Utilizando la ecuación (5), se puede determinar el TDH de la señales de corriente o voltaje según sea el caso. THD = 1 I1 ∞ ∑I n=2 2 n Fig. 2. Transformador bajo excitación de CA y CD. De acuerdo con “el modelo presentado en la figura 1”, el comportamiento eléctrico del transformador de potencia en condiciones normales de operación y sin carga “es el que se presenta en la figura 3”, donde la señal de color verde corresponde a la corriente de excitación y la de color rojo a la corriente de magnetización. (5) donde: I1 es la magnitud de la componente fundamental e In representa la magnitud del enésimo armónico. C. Pérdidas de Potencia Reactiva Otro efecto que provocan las GIC en transformadores de potencia es el incremento en el consumo de potencia reactiva,7 el cual incrementa de forma lineal con el flujo de GIC por el núcleo el transformador, el consumo de potencia reactiva a su vez dependerá del diseño del núcleo del transformador 8 y se puede calcular usando la siguiente expresión: Q( MVar ) = k * GIC + Q0 (6) 16 Fig. 3. Señales de corriente en condiciones normales y sin GIC. En el instante que aparece un flujo de GIC por el neutro del transformador, el punto de operación se mueve a la región de saturación, entonces el nuevo punto de operación se alcanza en el instante que el transformador llega al equilibro de saturación.9 Esto se puede ver en la figura 4, observe que la señal Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP / Daniel Guillén, et al. correspondiente a la corriente de magnetización (color rojo) se incrementa hasta alcanzar un nuevo punto de equilibrio, el cual se lográ en aproximadamente 8s, en este instante el valor promedio de la señal es diferente de cero y se mantiene constante después de los 8s. De forma similar la corriente de excitación (color verde) se incrementa pero en menor cantidad en comparación con la corriente de magnetización. Fig. 4. Señales de corriente para condiciones de GIC. Al momento que la corriente de magnetización alcanza el equilibrio de saturación, ésta provoca un efecto secundario (distorsión de la señal) en la corriente de excitación del transformador. En la figura 5, se puede observar que la corriente de magnetización (color rojo), cada medio ciclo provoca una ligera distorsión en la señal de la corriente de excitación (color verde), debido a que la corriente de magnetización se encuentra saturada cada medio ciclo. Entonces el valor de la distorsión de las señales eléctricas dependerá de forma directa del valor de GIC inducido al transformador por su neutro de la conexión en estrella. CASO DE ESTUDIO El sistema eléctrico utilizado para estudiar el comportamiento eléctrico de transformadores de potencia “se muestra en la figura 6”, en donde la rama de magnetización del transformador de potencia se representa con tres reactancias no lineales conectadas en estrella.10 La conexión del transformador es ∆Y, y alimenta una carga de 120MVA con factor de potencia de 0.8 en atraso. La carga es alimentada a través de una línea de transmisión de 500kV con una longitud de 50 km. Fig. 6. Sistema eléctrico para análisis de transformadores bajo condiciones de GIC. De acuerdo con “el circuito de la figura 6”, el interruptor “S” permanece cerrado durante el primer segundo y enseguida se conecta la fuente de CD, que simula el flujo de GIC a través de la rama de magnetización del transformador de potencia. En el instante que el transformador tiende a alcanzar el nuevo punto de operación, las corrientes por fase de la rama de magnetización se incrementan hasta llegar a la saturación de medio ciclo, como “se observa en la figura 7”. Fig. 7. Corrientes de magnetización bajo condiciones de GIC. Fig. 5. Corriente de excitación y magnetización en condiciones de GIC. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Un transformador al estar operando en la región de saturación provoca una distorsión en las corrientes de línea tanto del lado primario como del 17 �Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP / Daniel Guillén, et al. lado secundario del transformador, esta distorsión se puede ver en la figura 8. La señal de corriente correspondiente al lado primario es la línea roja, mientras que la línea verde representa la corriente secundaria del transformador. ANÁLISIS DE RESULTADOS En la tabla I, se pueden observar los resultados de la corriente de magnetización para diferentes valores de GIC, así como la distorsión armónica total de la señal. Se puede ver claramente que la distorsión de la señal está directamente ligada con el flujo de GIC a través de la rama de magnetización del transformador, entre mayor es el flujo de GIC mayor será la THD de la corriente. Tabla I. Corriente de magnetización para diferentes valores de GIC. I_ mag GIC 0 2 4 6 8 10 1 0.6795 1.0463 2.3535 4.1677 5.4678 6.7832 2 0.0167 0.3512 1.5168 3.2145 4.4913 5.7757 3 0.0160 0.3015 1.2627 2.7940 4.0374 5.2776 Fig. 8. Corrientes de línea para el lado primario y secundario del transformador bajo condiciones de GIC. 4 0.0151 0.2413 0.9723 2.3184 3.5247 4.7168 5 0.0140 0.1780 0.6902 1.8639 3.0370 4.1873 Al igual que las señales de corriente, también se ven afectadas las señales de voltaje. En la figura 9, se muestran los voltajes por fase, la señal de voltaje del lado primario (línea verde) se observa menos distorsionada debido al flujo de GIC por el transformador, mientras que el voltaje secundario resulta ser el más distorsionado (señal roja), esto se debe al tipo de conexión del transformador. De manera similar ocurre con las corriente por fase, sin embargo cabe recalcar que en la figura 8 se mostraron las corrientes de línea en donde la corriente del lado primario parece ser la más afectada, esto se debe al desbalance que ocasionan las corrientes de magnetización mostradas en la figura 7. 6 0.0128 0.1184 0.4510 1.4855 2.6342 3.7557 7 0.0114 0.0679 0.2722 1.2067 2.3389 3.4433 8 0.0100 0.0300 01563 9 0.0086 0.0053 0.0904 0.9272 0.0460 3.1381 Fig. 9. Voltajes de fase, primario y secundario del transformador bajo condiciones de GIC. 18 1.0302 2.1561 3.2552 10 0.0071 0.0073 0.0575 0.8726 1.9834 3.0656 11 0.0057 0.0106 0.0403 0.8408 1.9396 3.0049 12 0.0043 0.0080 0.0273 0.8179 1.9001 2.9416 13 0.0031 0.0030 0.0139 0.7995 1.8611 2.8729 14 0.0020 0.0018 0.0019 0.7865 1.8237 2.8002 15 0.0010 0.0049 0.0093 0.7808 1.7899 2.7264 THD 5.80% 54.40% 100.86% 160.03% 210.98% 238.92% CORRIENTE DE MAGNETIZACIÓN PARA DIFERENTES VALORES DE GIC Los resultado mostrados en la tabla I, se obtuvieron por medio del programa de simulación ATP, donde la primera columna corresponde a la magnitud de la componente fundamental (1) y las componentes armónicas (2 en adelante), siendo 2 la primera componente armónica de la corriente de magnetización. Se puede observar que para valor de GIC nulo existe una ligera distorsión en la señal debida al pequeño desbalance que presentan las corrientes de magnetización por fase. A medida que se incremente el flujo de GIC por la rama de magnetización la distorsión de las señales eléctricas será mayor, sin embargo la distorsión no es el único efecto que provocan las GIC en transformadores. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP / Daniel Guillén, et al. Otra razón para estudiar el transformador bajo condiciones de GIC, es el aumento en el consumo de potencia reactiva, así como el incremento de la temperatura del tanque del transformador debido al reordenamiento de los flujos de campo magnético a través de su núcleo ferromagnético, esto último se puede ver usando técnicas de elemento finito.11 CONCLUSIONES El equipo más afectado de un sistema eléctrico bajo condiciones GIC es el transformador de potencia, por lo que sigue existiendo un gran interés por determinar los efectos que ocasionan las GIC en los transformadores, con el objetivo de garantizar el funcionamiento adecuado del equipo bajo estas condiciones. Por está razón, el presente trabajo mostró el efecto secundario que ocasionan las GIC en los transformadores de potencia, siendo la rama de magnetización la parte más afectada. Sin embargo, no solo pueden presentarse problemas de distorsión de las variables eléctricas, sino también, incremento en el consumo de potencia reactiva, problemas en los sistemas de protección y aumento en la temperatura del transformador. REFERENCIAS 1. C. M. Liu, L. G. Liu and R. Pirjola, Geomagnetically Induced Currents in the High-Voltage Power Grid in China, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 24, no. 4, pp. 2368-2374, October 2009. 2. H. C. Tay and G. W. Swift, A Novel Method of Detecting Asymetrical Transformer Core Saturation due to GIC, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-103, no. 1, pp. 183-189, January 1984. 3. S. J. Chapman, Electric Machinery Fundamentals, 4th ed.: McGraw-Hill, 2004. 4. M. A. S. Masoum and P. S. Moses, Influence of Geomagnetically Induced Currents on ThreePhase Power Transformers, in Australasian Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Universities Power Engineering Conference (AUPEC), 2008. 5. V. D. Albertson, J. G. Kappenman, N. Mohan and G. A. Skarbakka, Load-Flow Studies in the Presence of Geomagnetically Induced Currents, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-10, no. 2, pp. 594-607, February 1981. 6. M. Heindl, M. Beltle, M. Reuter, D. Schneider, S. Tenbohlen, D.T. Oyedokun and C.T. Gaunt, Investigation of GIC Related Effects on Power Transformers Using Modern Diagnostic Methods, in XVII International Symposium on High Voltage Engineering, Hannover, Germany, 2011. 7. B. Zhang, Y. Liu, L. Liu, M. McVey, R. M. Gardner and X. Xiao, Effect of Load Current on Leakage Flux of Transformer with Geomagnetically Induced Current, EUROPEAN Transactions on Electrical Power, vol. 21, pp. 65–173, 2011. 8. X. Dong, Y. Liu and J. G. Kappenman, Comparative Analysis of Exciting Current Harmonics and Reactive Power Consumption from GIC Saturated Transformers, in Power Engineering Society Winter Meeting, 2001, pp. 318-322. 9. R.A. Walling and A.H. Khan, Characteristics of Transformers Exciting-Current During Geomagnetic Disturbances, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 6, no. 4, pp. 1707-1714, October 1991. 10. N. Mohan, J. G. Kappeximan and V. D. Albertson, Harmonics and Switching Transients in the Presence of Geomagnetically Induced Currents, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-100, no. 2, pp. 585-593, February 1981. 11. B. Bai, B. Xu and J. Lu, An Analysis to Force Received in Transformer Core under DC Bias Conditions, in International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Shenyang, China, August, 2011. 19 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad Edmundo Derbez García UANL edmundo.derbezg@uanl.mx RESUMEN Se presenta una reseña de los experimentos para lanzar cohetes en trayectoria balística que llevaron a cabo en 1961 maestros y alumnos de la Escuela Industrial Álvaro Obregón (EIAO) y de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Estas actividades estuvieron inspiradas por el deseo de desarrollar aplicaciones prácticas con los conceptos aprendidos en las aulas en el marco de la influencia de la carrera espacial iniciada con el lanzamiento del Sputnik en 1957, el ambiente de creación de agencias espaciales, y en México la discusión para formar la Comisión Nacional del Espacio Exterior. PALABRAS CLAVE EIAO, cohetes, balística. ABSTRACT An outline of the experiments for launching rockets in balisitc trajectory performed in 1961 by the students and faculty of the Escuela Industrial Álvaro Obregón (EIAO) and the Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica of the Universidad Autónoma de Nuevo León is presented. These activities are inspired on the wishes for developing practical applications of the learned concepts in the classroom in the frame of influence of the space race started with the lauch of the Sputnik in 1957, the interest in creating space agencies, and the discussion in México for creating the Comisón Nacional del Espacio Exterior. KEYWORDS EIAO, rockets, balisitics. El impulso de la carrera de ingeniería aeronáutica en la FIME y la de Técnico en Mantenimiento Aeronáutico que ofrece la EIAO, creadas para atender la necesidad de especialistas de este creciente sector estratégico, tuvo sus antecedentes en 1961 durante la construcción y lanzamiento de cohetes por parte de un grupo de maestros y alumnos entusiasmados por la floreciente carrera espacial. Avivado por la carrera espacial sostenida por las potencias en el apogeo de la Guerra Fría, los rusos mediante sus cohetes Vostok y los norteamericanos con el Atlas, la ingeniería aeroespacial despertó a fines de la década de los cincuenta y principios de los sesenta, un gran interés en las instituciones de educación superior del país. 20 Artículo publicado en el Boletín del Centro de Documentación y Archivo Histórico de la UANL. Año 2, número 18, julio 2011. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad / Edmundo Derbez Imbuidos de este entusiasmo, maestros y alumnos de la Escuela Industrial y Preparatoria Técnica Álvaro Obregón y de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, que estudiaban de manera teórica estos aspectos, emprendieron el diseño, construcción y lanzamiento de una serie de proyectiles impulsados por combustible sólido dando a la entonces Universidad de Nuevo León el privilegio de ser la primera en realizar este tipo de experimentos, además de marcar una nueva era en la investigación científica y tecnológica en México. Esta labor se realizó bajo la dirección de los maestros Miguel Barrera Díaz y Rodolfo Villarreal Garza con el apoyo del director de la Álvaro Obregón, Santiago Tamez Anguiano quien, entusiasmado por el proyecto, consiguió los recursos económicos y materiales. Barrera Díaz recuerda el día en que surgió la idea: “Cuando estaba dando la clase de física en tiro parabólico, puse varios ejemplos de un cohete porque en esa ocasión estaba de moda al lanzar los rusos a Yuri Gagarin al espacio, entonces uno de los muchachos me dice, ¿por qué sólo en teoría, por qué no hacer un cohete? Le dije, me estás provocando, los invito a todos a hacerlo”. De inmediato los profesores Barrera Díaz y Villarreal Garza se documentaron, principalmente en libros de la Universidad de California y del Massachusetts Institute of Technology (MIT), para elaborar los proyectos de los primeros cohetes cuya concepción resultaron muy útiles para las prácticas de materias como térmica, mecánica de fluidos y dinámica de fluidos. En el Taller de Máquinas Herramientas de la EIAO el ingeniero Barrera Díaz diseñó y construyó un gran simulador “analógico y directo”, bien cimentado para efectuar con minicohetes pruebas y verificaciones, por ejemplo, de variables como diámetros y distancias. Aunque invertían mucho tiempo en ellas, los resultados resultaban evidentes. “Esos están locos”, decían algunos al saber de los planes. Se probaron dos pequeños proyectiles: el EIAO-1 de un kilo 750 gramos que alcanzó mil 500 metros de altura y el EIAO-2 de 40 kilos que, disparado desde el patio de la escuela, en abril de 1961, subió dos mil 100 metros. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Estos disparos, mantenidos en reserva, probaron la factibilidad de efectuar un lanzamiento en campo abierto de un cohete de dos metros y medio de altura, cuatro pulgadas de diámetro y 35 kilos de peso terminado en 10 días de trabajo. La estructura cilíndrica fue construida con tres ángulos de acero reforzadas exteriormente con anillos por excelentes torneros y fresistas de ambas escuelas, entre ellos destacó especialmente el joven José Guadalupe Muraira González, apodado el “Mecánico”, generación 1961-1965 de Ingeniero Mecánico Electricista quien, no obstante la antigüedad de los equipos, realizó un perfecto maquinado de las toberas. Dispuestas en un extremo de la carcaza, resultaba uno de los componentes que requerían mayor precisión en su construcción dado que eran responsables de aprovechar la presión de los gases para lograr la mayor velocidad de salida del cohete. Industrias como Pigmentos y Óxidos y Zinc Nacional cooperaron con su esfuerzo, esta última les proporcionó el zinc para el combustible, mientras otro de los componentes, el azufre, lo adquirieron por kilos en la Farmacia Benavides. Ambos productos se mezclaban en una relación de 75 y 25 por ciento en peso, para luego introducirlo a presión, con sumo cuidado, en la cámara de combustión. El resultado de los trabajos fue el cohete llamado EIAO-3 que, aunque seguía siendo pequeño, poseía todos los principios de los modernos cohetes de su época. Maestros y alumnos preparados para la prueba del cohete EAIO-3. 21 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad / Edmundo Derbez Gracias a las gestiones del maestro de la escuela, ingeniero Raúl Chapa Zárate ante la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, donde era además funcionario, les fue concedido un predio como zona de lanzamiento ubicado en una apartada región del desértico y agreste interior del municipio de Mina, conocido como El Macho y llamado en forma graciosa por la gente como “Cabo Mina”. La camioneta Chevrolet de Rodolfo Villarreal, donde se instaló la torre de lanzamiento, llegó al lugar, a kilómetro y medio de la cabecera municipal, escoltada por una patrulla la mañana del viernes 26 de mayo de 1961. Una vez preparada la instalación en aquella superficie que semejaba una amplia plataforma, el cohete fue colocado en posición ligeramente inclinada. Después, alumnos y maestros, conteniendo la emoción, se ubicaron en la llamada “zona de retiro de seguridad”, establecido a un kilómetro de distancia, ante la eventualidad de un estallido durante el arranque. Para el encendido de los motores, el sistema diseñado por Villarreal Garza, aunque simple, permitió arrancarlos de forma segura y controlada desde la distancia en que se encontraba. Se trataba de un sistema de encendido por tiempo para el que utilizó, ante la carencia de recursos económicos, Los ingenieros Rodolfo Villarreal Garza y Guillermo Montoya ajustan la cápsula del EIAO-3. Ingenieros Miguel Barrera Díaz (izq.) y Rodolfo Villarreal Garza mostrando la cápsula del cohete antes de su montaje. 22 un reloj despertador antiguo que al sonar su alarma activaba una de las perillas donde colocó un platino y cerraba el circuito. Tras el despegue, lograron observar la secuencia de vuelo de siete segundos con la aceleración y apogeo pero no la caída a tierra. Como recuerda Barrera Díaz. “Veíamos que salía el cohete, se acababa la estela y ya no veíamos nada, ¿Para dónde se iba?, quien sabe”. Se hicieron esfuerzos por localizar el punto de caída, no obstante que unos afirmaban haberlo visto caer en una parte y otros señalaban una distinta, ubicaron el sitio exacto para conducir los restos de regreso a la escuela. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad / Edmundo Derbez Lanzamiento del cohete EIAO-3. Durante el vuelo, los maestros tomaron el tiempo de ascenso y regreso a fin de estimar de manera aceptable la altura alcanzada por el cohete, considerando variables como su masa y diámetro. Si bien estaba diseñado para alcanzar un techo de 5 mil metros, la cifra estimada fue una altitud de tres mil 500 metros debido a que el paracaídas se abrió antes de lo previsto. La velocidad alcanzada fue de dos mil 100 kilómetros por hora, es decir, 600 metros por segundo, una verdadera hazaña considerando la estrechez de recursos de que dispusieron. La Secretaría de Comunicaciones y Transportes había lanzado dos de ellos, el primero alcanzó cuatro mil metros de altura y el segundo 25 mil con un alto costo debido al empleo de combustible líquido con base en alcohol y oxígeno. Por esa razón existía un marcado interés de la dependencia federal en los ensayos de la Álvaro Obregón al reducir ostensiblemente el uso del combustible sólido el costo de las pruebas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Su titular, ingeniero Walter C. Buchanan, pionero de la investigación espacial en México, informado ampliamente del experimento envió al director de la escuela una carta de felicitación y estímulo para los muchachos. La noticia del exitoso disparo fue recibida con entusiasmo por las autoridades de la Universidad, el rector Joaquín A. Mora ofreció a través de un mensaje la ayuda para seguir con las pruebas de balística. “Esto demuestra que el interés por el estudio y por todo aquello que signifique adelanto, puede traducirse en realizaciones prácticas aún dentro de la pobreza de elementos materiales. Las experiencias obtenidas permitirán mayores conocimientos prácticos en muchos campos de la ciencia y de la técnica y por lo tanto, el aprendizaje y preparación de maestros y alumnos será cada día mejor”, escribió. En las instalaciones de la escuela los participantes de la prueba, incluyendo jóvenes de entre 16 y 20 años de edad, recibieron felicitaciones de sus compañeros y de personas ajenas a la institución emocionadas por su logro. Enterado de la prueba el director del plantel Santiago Tamez Anguiano regresó de la Ciudad de México y Chapa Zárate desde la ciudad de Los Angeles, California. Las sociedades de alumnos de las distintas facultades, encabezadas por la de Derecho, presidida por César Lucio Coronado, pensaban convocar a una serie de homenajes dedicados a los alumnos de la Álvaro Obregón. El Ing. Santiago Tamez Anguiano (der) inspecciona los restos recuperados del cohete. Junto a él, hacia la izquierda, están los ingenieros Rodolfo Villarreal Garza y Miguel Barrera Díaz. 23 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad / Edmundo Derbez Plana del periódico “El Norte” publicada al día siguiente del lanzamiento. 24 En medio del regocijo no faltaron los comentarios jocosos producto del ingenio popular. La gente afirmó que sólo los regiomontanos podían haber hecho y lanzado un cohete con 600 pesos, que los alumnos parecían técnicos soviéticos al informar del mismo sólo hasta que tuvieron éxito y que en la próxima misión el primer ser vivo lanzado al espacio sería un cabrito: el “cabritonauta”. De hecho se estaba alistando el cuarto cohete compuesto de tres etapas, a semejanza de un Saturno, con sus toberas bien diseñadas para que diera el máximo empuje con mínima cantidad de combustible, a tal grado que al profesor Barrera Díaz le daba temor probarlo. “El alcance iba a ser demasiado grande, presuntamente 18 kilómetros, pero como no teníamos giroscopio para dirigirlo, el miedo era que fuera a caer encima de alguien”. Para evitar la pérdida del cohete de 120 kilos de peso y cuatro metros de altura, el doble del EIAO3, se había ideado colocarle señalizaciones de luz fosforescente a fin de delinear con exactitud su trayectoria durante la noche del lanzamiento al que estaba invitado el ingeniero Chapa Zarate. Incluso tenían el ofrecimiento de un ex alumno, el piloto aviador Manuel J. Leal, de contar con un paracaídas importado de Estados Unidos para el sistema de recuperación. Sin embargo, el “programa espacial” llegó a su fin cuando el Ejército, que observó el lanzamiento de Mina, prohibió la continuación de las pruebas. Villarreal Garza recuerda la impresión de los militares ante lo espectacular de la ignición y despegue. “El combustible necesita una temperatura muy alta de arranque, entonces le poníamos unas lámparas de flash preparadas para el arranque, ellos vieron un relámpago abajo y la nube que se forma, pasaron ese informe a México y dijeron que ya no”. Una forma de justificar la medida fueron los costos que, sin contar la mano de obra, ascendían a 10 mil pesos. Otro aspecto era que al avanzar rápidamente este desarrollo tecnológico, por un lado implicaba involucrar más equipos de investigación y mejores aparatos de seguridad, y por otro, sin advertirlo, los jóvenes maestros y alumnos estaban alterando con sus verdaderos misiles balísticos Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad / Edmundo Derbez el orden político mundial. Al menos advirtieron este trasfondo como freno a su entusiasmo por la cohetería experimental. La prohibición por parte del Ejército, los temores de probar un cohete más potente y finalmente un desenlace trágico durante la creación de un proyectil nuevo que costó la vida a un estudiante fueron los factores que influyeron en la cancelación definitiva de estas pruebas. El accidente sucedió el 27 de junio de 1961, horas antes de efectuar su lanzamiento en un terreno de la colonia San Jorge, cuando el joven del cuarto año, Bernardino García Cárdenas, elaboraba en el Taller de Modelado y Carpintería la base de madera para el despegue. Por una causa desconocida tenía consigo la cápsula que contenía mil 350 gramos de combustible sólido que, al estar cerca del esmeril, hizo explosión. No obstante, las prácticas continuaron en el simulador. Para ello empleaban un tanque donado por Petróleos Mexicanos, las probetas eran colocadas en un diafragma para que su fuerza fuera transmitida a un manómetro donde se tomaba la presión con el área y obtener así la magnitud del empuje producido por el motor. De esta forma se obtuvieron mediciones muy importantes de prototipos minimizados a nivel laboratorio, aunque todo se veía reducido de nuevo a lo teórico. De recibir el apoyo del gobierno los alcances de este proyecto hubieran sido amplios. “Hubiéramos llegado hasta mero arriba”, dice Barrera. “Nosotros lo hicimos –agrega Villareal Garza– para que los alumnos fueran agarrándole más cariño y respeto a la escuela y a su profesión” A continuación se transcribe la nota con referencia al lanzamiento publicada por Carlos Landeros en El Porvenir el 27 de mayo de 1961. EIAO-III Modesta pero magnífica hazaña Los regiomontanos no podían quedarse atrás y fue desde los polvorientos montes de Mina, a menos de 50 kilómetros de Monterrey, desde donde se alzó el primer cohete que se lanza en el norte de México, Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 de 35 kilos de peso, dos y medio metros de altura y fruto de un año de esfuerzos y de… ¡600 pesos! Su nombre es simbólico: el EIAO-III, en honor de la Escuela Industrial Álvaro Obregón, el viejo plantel universitario en el que trabajan los maestros y estudiantes que participaron en la modesta pero magnífica prueba. Por la frialdad de las cifras –600 pesos de costo efectivo– la prueba bien podía compararse con cualquiera otra de las realizadas en el planeta. No había allí millones de presupuesto ni maravillosos sistemas técnicos que apoyaran el experimento. Pero había un grupo de jóvenes maestros y estudiantes que por su actitud ante el futuro y por su entusiasmo, hacen abrigar esperanzas mayores en el ya común pero complicado campo de los vuelos espaciales. Estaba al frente un joven profesional, el ingeniero Miguel Barrera Díaz de 26 años de edad y egresado de la Escuela Industrial Álvaro Obregón y de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad de Nuevo León. Con él, un grupo de maestros y alumnos de la Escuela Àlvaro Obregón. Los siete segundos que abarcó la parte central de la prueba transcurrieron entre la ansiedad de quienes participaron en el lanzamiento. Era ésta la prueba de fuego de los ensayos modestos pero ambiciosos de un grupo de jóvenes que ante las hazañas logradas en países muy superiores en el campo de la técnica, tratan de aplicar los conocimientos adquiridos y de entrar, dentro de los recursos disponibles, en la apasionante etapa de los vuelos espaciales que abre un nuevo capítulo en la historia de la humanidad. Faltan palabras para describir lo que significa un ensayo de esta naturaleza, llevado a cabo por maestros y estudiantes de una escuela técnica de modestos recursos pero que han dado al país técnicos y trabajadores especializados que han honrado en el ejercicio de sus actividades al plantel. Ahora, de los recursos modestos y del tesón y afán de aprender que son signo de esa escuela técnica, ha surgido el primer ensayo público que se realiza en el norte de México en el campo de los cohetes de largo alcance. Como símbolo, el pequeño artefacto fue bautizado con las siglas EIAO-III en honor de la Escuela 25 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad / Edmundo Derbez Industrial Álvaro Obregón. Antes se habían realizado experimentos preparatorios en secreto ya que no existían las condiciones de éxito que ayer permitieron el final feliz de la prueba. Datos sobre la prueba La prueba de ayer, según lo consideran quienes participaron en ella, fue todo un éxito y se han obtenido datos y experiencias para llevar a cabo nuevo ensayo, ahora con un cohete de tres etapas. Ayer, el lanzamiento estaba previsto para las 07:30 horas. Sobre una pequeña torre –tres metros de altura– descansaba el proyectil de 35 kilos de peso que habría de ser lanzado. La torre fue construida en el taller de soldadura y el cohete de aluminio, portaba una cámara de combustible construido de acero rolado y un detonador eléctrico para el lanzamiento del paracaídas cuando el artefacto llegara a su máxima altura. Se utilizó combustible sólido formado por zinc en 80% y azufre en 20%. La pequeña torre de lanzamiento es ajustable para la colocación de cohetes de diámetros que van de las cuatro a las 24 pulgadas. El cohete lanzado ayer tenía un diámetro de cuatro pulgadas. Cinco, cuatro, tres, dos, uno, cero… A las siete y media de la mañana, hora fijada para el lanzamiento, todo estaba preparado. Sin embargo, la duda acerca de ciertas cuestiones técnicas obligó al ingeniero Miguel Barrera Díaz, director del lanzamiento, a ordenar fuera pospuesto por algunos minutos. Fue hasta las ocho cuando el ingeniero Barrera Díaz inició el clásico conteo: 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0: y el ingeniero Juan Armendáriz conectó el switch que encendió el sistema de combustible y el cohete inició su vuelo tras de varios segundos de silbar y cimbrarse sobre la torre. Una nube plomiza quedó como huella en los primeros metros de la ruta. La altura máxima que alcanzó fue de tres y medio kilómetro, punto en el cual funcionó el sistema para lanzar el paracaídas en el cual debería caer el cono metálico de la nave. 26 Todo era perfecto hasta el momento pero entonces los hilos del paracaídas se rompieron y el descenso no tuvo lugar como se había previsto. El cono cayó a menos de 20 metros del sitio del lanzamiento, de cualquier manera la prueba había sido un éxito. Personal técnico del lanzamiento El escenario era un sitio solitario del municipio de Mina. Basta levantar la vista para observar el perfil de las montañas que rodean a Monterrey. No era Cabo Cañaveral. No era un ignorado campo de pruebas de Siberia. Sin embargo, igual ha de haber sido la reacción del equipo humano que ayudó a Gagarin y a Shepard a conquistar las antes invioladas regiones del cosmos. Hubo gritos de júbilo, abrazos, apretones de mano y todos pensaban ya en la próxima prueba. En medio de aquella explosión de alegría sonó la voz reposada del ingeniero Barrera Díaz: “en julio lanzaremos un cohete de tres etapas y debemos tener el éxito de hoy”. Todos asistieron. Allí estaban los ingenieros Mauro González, Guillermo Montemayor, Juan Armendáriz, Rafael Chávez Lugo, Rodolfo Villarreal y los técnicos mecánicos Heriberto Muraira y Rafael Reyes Bueno, integrantes del equipo humano que llevó a cabo la prueba. Después, el regreso a Monterrey y a pensar en qué dirá la gente de lo que se hizo en Mina. Por lo pronto, el eco por los montes contaba todavía de la modesta pero magnífica hazaña. REFERENCIAS Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Fortaleza educativa (1947-2007), UANL, Monterrey, 2008, pp. 146-151. El Porvenir, 27 de mayo de 1961, p. 3-A, 28 de mayo de 1961, p. 1 y 9-B, 29 de mayo de 1961, p. 1-B, 28 de junio de 1961, p. 3. El Norte, 17 de mayo de 1961, p. 1, tercera sección, 28 de junio de 1961, p. 1-B y 29 de junio de 1961, p. 1 y 4. Vida Universitaria, No. 532, 4 de junio de 1961, p. 1. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Microinterruptor magnético con material híbrido Fralett Suárez Sandoval Ingeniería Electrónica, Instituto Tecnológico de Morelia “José María Morelos y Pavón” Beatriz Cristina López Walle FIME y CIIDIT, UANL fralett_520@hotmail.com , beatriz.lopezwl@uanl.edu.mx RESUMEN En este artículo se reporta el diseño de un microinterruptor fabricado con materiales metálicos y aislantes, convencionales, pero cuyo elemento móvil está hecho de una película de material híbrido compuesta de nanopartículas de óxido de hierro dispersas en una matriz polimérica. La contribución principal de este trabajo es el uso de esta película con la que se construyó un prototipo que trabaja con 24 Vdc de alimentación de la bobina y conduce 0.46 A de corriente máxima a una frecuencia de operación de conmutación de 35 Hz. PALABRAS CLAVE Nanopartículas, microinterruptor, material híbrido. ABSTRACT The design of a microswitch fabricated with conventional metalic and isolant materials, but with a movil element made of a film of hibrid material compounded by iron oxide nanoparticles dispersed in a polymeric matrix is reported in this paper. The main contribution of this work is the application of the film that was used for building a protoype that works with 24 Vdc coil feed and is able to conduct 0.46 A of maximum current at a commutation frequency of 35 Hz. KEYWORDS Nanoparticles, microswitch, hybrid material. OBJETIVO El objetivo de este trabajo consistió en diseñar, fabricar y caracterizar un microinterruptor electromecánico cuyo elemento móvil es un material híbrido compuesto de nanopartículas de óxido de hierro dispersas en una matriz polimérica de carboximetilcelulosa, el cual responde a las variaciones de un campo magnético. INTRODUCCIÓN Los materiales magnéticos nanoestructurados ofrecen propiedades novedosas que están revolucionando la tecnología de las aplicaciones magnéticas. Este tipo de material está constituido por partículas magnéticas de tamaño nanométrico (1 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 27 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. a 100 nm) embebidas en una matriz de un material no magnético. La motivación fundamental para su síntesis y estudio es el cambio dramático de sus propiedades magnéticas1 derivado de las dimensiones nanométricas de los constituyentes magnéticos y la relación área superficial contra volumen existente.2 Las partículas llegan a ser tan pequeñas que provocan que cada una se comporte como un magneto independiente3 y el material exhiba fenómenos inusuales como es el superparamagnetismo.4 Entre sus aplicaciones más prometedoras se encuentra el grabado magnético,5 el diagnóstico médico,6 la liberación controlada de drogas o medicinas,7 los sensores,8 etc. Los nanocompósitos magnéticos han sido producidos en una amplia variedad de matrices como óxidos de silicio, 9 óxidos de aluminio, 10 o vidrio poroso.11 En algunos de estos casos los procesos de síntesis y/o incorporación tienen alto grado de dificultad, necesitan equipos costosos o requieren materiales poco comunes. Una gran parte de las investigaciones se han enfocado al desarrollo de metodologías y procesos para la incorporación de nanopartículas magnéticas dentro de matrices poliméricas,12 motivados principalmente por sus interesantes propiedades magnéticas y por su excelente manejabilidad. La película magnética usada en este trabajo fue producto de una tesis doctoral de la Universidad Autónoma de Nuevo León, 13 para la cual ya se habían realizado ciertas investigaciones con el fin de comprobar sus facultades como actuador. 14 El microinterruptor diseñado funciona bajo los principios de un relé o relevador, el cual es un dispositivo electromecánico controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. El relevador fue inventado por Joseph Henry en 1835. En la figura 1 se presenta, de forma esquemática, la disposición de los distintos elementos que forman un relé de un solo contacto. Los contactos de un relé pueden ser normalmente abiertos, NA o NO, (Normally Open por sus siglas en inglés), normalmente cerrados, NC, (Normally Closed), o de conmutación: 28 Fig. 1. Esquema de un relevador. Los contactos normalmente abiertos conectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. Este tipo de contactos es ideal para aplicaciones en las que se requiere conmutar fuentes de poder de alta intensidad para dispositivos remotos. Los contactos normalmente cerrados desconectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. Estos contactos se utilizan para aplicaciones en las que se requiere que el circuito permanezca cerrado hasta que el relé sea activado. Los contactos de conmutación controlan dos circuitos: un contacto NA y uno NC con una terminal común. La fabricación de los microrelevadores puede realizarse utilizando microtecnologías de fabricación típicamente empleadas en los sistemas microlectromecánicos (MEMS), o mediante el proceso UV-LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung), tecnología que combina patrones litográficos de UV de muy alta fotorresistencia y un depósito de materiales estructurales dentro de surcos resistentes para posteriormente realizar electroformado y moldeado. Este proceso presenta ventajas como la fabricación de microestructuras de cualquier altura, incluso varios cientos de micrómetros, en cualquier forma de sección transversal. Los micro-relevadores son ampliamente usados en diversas industrias para distintas aplicaciones, como interrupción segura, alto aislamiento y bajo consumo de potencia. 15 En este trabajo se realizó la sustitución del elemento móvil de un microinterruptor magnético por Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. un material novedoso híbrido (orgánico/inorgánico). A continuación se presenta la metodología empleada para realizar el diseño del dispositivo, describiendo posteriormente su funcionalidad. METODOLOGÍA Para el diseño del microinterruptor mencionado se propuso y siguió la metodología descrita a continuación. Selección de la bobina En primer lugar, era necesario seleccionar una bobina, la cual debía mostrar la mayor reacción en la película magnética (figura 2). Fig. 3. Circuito implementado en el laboratorio para elegir una bobina. En las figuras 4 y 5 se puede observar una muestra de la película siendo atraída desde una posición inicial hacia la otra deseada. Se seleccionó a una bobina en específico, siendo ésta la que mostraba una mayor generación de campo magnético para atraer a la película magnética. Fig. 2. Muestra de la película magnética utilizada. De acuerdo a los datos arrojados por un magnetómetro durante un análisis previo, se sabe que la película que se desea mover necesita una intensidad de campo magnético de H=100 Oe. 16 Debido a que el objetivo del trabajo no es diseñar una bobina, se optó por encontrar una ya existente con la inductancia capaz de mover lo suficiente a la película antes mencionada. Para llevar a cabo pruebas con distintas bobinas se implementó el circuito de la figura 3 en el laboratorio. De acuerdo a la capacidad para generar un campo magnético de la bobina en funcionamiento se observó la atracción que presentaba la película magnética hacia el polo de la bobina. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Fig. 4. Posición inicial de la película magnética. Fig. 5. Posición final de la película magnética. 29 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. Era conveniente conocer el valor de la inductancia de la bobina seleccionada, para después corroborar esa medición con cálculos teóricos, con el fin de mostrar congruencia en ambos datos. El ángulo de retraso del voltaje en la resistencia según lo medido es θ R = −60° (7) La corriente que circula por el circuito se puede calcular en magnitud y fase conociendo (2), (5) y (7) Caracterización de la bobina Para medir la inductancia de la bobina seleccionada se implementó el circuito de la figura 6 en el laboratorio. VR < θ R 1.4V θ R = = 13.7524 mA < −θ R (8) R 101.8Ω Utilizando la ley de ohm se sabe que V1 = I *Z (8) Lo cual sustituyendo (1), (6) y (8), en magnitud representa I= 3.78V = 13.7524 mA* 101.82 + (376.991L ) (9) 2 Despejando el valor de L de (9) se obtiene: 2 Fig. 6. Circuito implementado en laboratorio para medir la inductancia de la bobina. Como puede observarse, es un circuito RL en serie. La selección de la resistencia adecuada fue en pro de una buena distribución de voltajes entre ambos elementos, es decir, la resistencia y la bobina, esto para que fueran apreciables en el osciloscopio ambas magnitudes, ya que se notó que la bobina tenía asociada una resistencia de magnitud considerable. La fuente de voltaje se obtuvo de un generador de funciones marca TEKTRONIX modelo AFG3021. Las formas de onda se midieron con ayuda de un osciloscopio obteniendo las siguientes amplitudes. V1=3.78V (1) (2) VR=1.4V VL=3.5V (3) Con los resultados obtenidos de las magnitudes de voltajes se prosiguió a hacer uso del análisis fasorial del circuito implementado para obtener el valor de la inductancia L. Se sabe que la impedancia total del circuito es: Z = X R2 + X L2 De la figura 6, sabemos que X R = R = 101.8 Ω (4) (5) X L = ωLj = 2πfLj = 2π (60 )Lj = 376.991Lj Ω (6) 30 ⎛ 3.78 ⎞ 2 ⎜ 13.7524 m ⎟ − 101.8 ⎝ ⎠ L= = 677.2392 mH (10) 376.991 Es necesario comprobar la veracidad del resultado obtenido, por lo cual se recurre en primer lugar, a la simulación del circuito y posteriormente al cálculo teórico. La simulación se llevó a cabo en Capture CIS del paquete de simulación (Orcad 10.5). Se tomaron mediciones de voltajes en los elementos y de la corriente en el circuito. Las figuras 7 a 10 muestran los resultados obtenidos. Para corroborar los valores se debe de recordar que la suma de las caídas de tensiones, en este caso con ángulos de defase, debe ser igual al valor de la fuente de alimentación. Tomando en cuenta lo anterior y considerando el circuito de la figura 6 se puede observar que V1 = VL + VR = 3.5112 < 21.8657° + 1.4 < −68.3883° Pasando de coordenadas polares a cartesianas las expresiones para el voltaje en la bobina y la resistencia. VL = rcos (θ L ) + jrsin (θ L ) = 3.5112cos (21.8657° ) + j 3.5112 sin (21.8657° ) = 3.258602 + 1.307684 j VR = rcos (θ R ) + jrsin (θR ) = 1.4 sin (−68.3883° ) + j1.4 sin (−68.3883° ) = .5156 − 1.301581 j Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. Con lo que se obtiene: V1 = 3.774202 + 6.103181 x10−3 j Convirtiéndola a coordenadas polares se tiene V1 = 3.7742022 + 6.103181 x10−32 6.103181 x10−3 = 3.78 < .0926° 3.774202 Con lo cual se puede observar que la ley de caída de tensiones se cumple. Aún así se observó que existen diferencias entre los ángulos de desfase medidos y los que arroja la simulación. Esto se debe principalmente a que la bobina real no es puramente inductiva y posee una parte resistiva considerable. Se comprobará la medición de la bobina mediante las leyes del electromagnetismo. El calibre del alambre con el cual se encuentra embobinado el núcleo de M36 Si.Fe laminado en frio17 es de 32AWG,18 lo cual dicta que se tiene un diámetro de D = 0.2019mm Y que le circula una corriente máxima de I = .09 A Conociendo la intensidad de campo magnético necesaria para mover la película H = 100 Oe = 7957.75 A / m Se puede calcular la fuerza magnetomotriz tomando en cuenta que la longitud de núcleo de la bobina es de l=.0113m como Fm = (H )l = < tan −1 Fig. 7. Voltaje de entrada de amplitud 3.78 V y 60 Hz de frecuencia. Fig. 8. Voltaje de la bobina de amplitud 3.5112 V, 60 Hz de frecuencia y ángulo de desfasamiento de 21.87˚. A⎞ ⎛ ⎜ 7957.75 m ⎟ (0.0115 m ) = 89.9225 A − v ⎝ ⎠ Fig. 9. Voltaje en la resistencia de amplitud 1.4 V, 60 Hz de frecuencia y ángulo de desfasamiento de -68.13º. Por lo cual se obtiene que el número de vueltas necesarias es de F 89.9225 A − v N= m = = 999.1397 vueltas I .09 A De acuerdo al material del núcleo que se usó se sabe que la permeabilidad magnética relativa es de μr= 500 19 y posee un diámetro de 0.004 m. Con lo cual se puede calcular la permeabilidad absoluta del núcleo como Wb μ = μ 0 μ r = 4π x10−7 (500 ) = 628.31 × 10−6 A − v.m Y el área de sección transversal del núcleo como 2 A = π r 2 = (π )(0.002 ) = 12.5663 × 10−6 m 2 ( Fig. 10. Corriente del circuito de amplitud 13.738 mA, 60 Hz de frecuencia y ángulo de desfasamiento de 68.13˚. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 ) ( ) 31 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. Finalmente se calcula la inductancia de la bobina: L= a) b) c) N 2μ A = l (999.1397 )2 ⎛⎜ 628.31×10−6 ⎝ ( ) Wb ⎞ 12.5663 ×10−6 m 2 A − v.m ⎟⎠ = 0.0115 m En consecuencia, como se puede observar, es un valor muy parecido al obtenido experimentalmente. Las pequeñas variaciones son debidas a la pureza del material utilizado para construir el núcleo. RESULTADOS Diseño del microinterruptor El microinterruptor tiene como características: funcionalidad de un contacto, expandible a cuatro con independencia de cada uno; 14 pines disponibles para montaje en zócalo de los cuales 2 corresponden para energizar a la bobina, 4 de común, 4 de normalmente cerrado y 4 de normalmente abierto; 24 Vdc de alimentación de la bobina; manejo de 0.46 A de corriente a la salida; frecuencia de entrada de operación de 35 Hz; no encapsulado en fase de pruebas para su manipulación, pero diseñado para ser encapsulado; mica de fibra de vidrio como soporte de la película magnética. En la figura 11 se puede observar el interruptor diseñado, las dimensiones se dan en la figura 12. En 12 a) se presenta la vista superior ya con la película incluida, la cual es capaz de atraerse a sí misma, así como a la mica de fibra de vidrio y al común. Como se había mencionado antes, sólo uno de los contactos fue modificado. Fig. 11. Micro-interruptor diseñado. 32 Fig. 12. Vista superior del interruptor: a) con película magnética, b) con mica soporte, c) esquemático acotado (acotaciones en mm). Las figura 13 a 15 muestran respectivamente la vista lateral, la vista trasera del interruptor diseñado, ya las medidas del zócalo. Fig. 13. Vista lateral del interruptor. Fig. 14. Vista trasera, muestra los pines del interruptor (acotaciones en mm). Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. Fig. 17. Circuito real usado para comprobar funcionalidad del microinterruptor (LED encendido). Fig. 15. Vista del zócalo: a) lateral, b) inferior (acotaciones en mm). Como puede observarse en la figura anterior, el abrir y cerrar el contacto del interruptor diseñado se usa para encender y apagar un LED indicador, es decir en el momento en que se cierra el contacto el LED se polariza directamente por medio de un divisor de tensión lo cual ocasiona que se encienda. En la figura 18 se puede observar el proceso inverso, es decir, el contacto se abre y el LED deja de recibir corriente, por lo cual se apaga. Funcionalidad del microinterruptor Se necesitaba comprobar la funcionalidad del microinterruptor diseñado, por lo cual se implementó el circuito de la figura 16 en el laboratorio. Fig. 18. Circuito real usado para comprobar funcionalidad del microinterruptor (LED apagado). Fig. 16. Circuito implementado para comprobar funcionalidad del microinterruptor. El relevador adicional, apreciable en la misma figura, le da el pulso a la bobina del interruptor que se construyó en este trabajo, y que permite remontar el voltaje a 24 V, que es el voltaje de excitación de la misma. El circuito de la figura 16 se muestra en funcionamiento en la figura 17. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 CONCLUSIONES Se construyó un microinterruptor magnético completamente funcional empleando material híbrido (orgánico/inorgánico). Dado que la película magnética es únicamente capaz de conducir corrientes del orden de los microamperes, se hace necesario añadirle elementos conductores. Sin embargo el calibre de los mismos está limitado a la capacidad mecánica de la película, lo cual afecta la capacidad total de corriente de trabajo. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento al MVZ Carlos H. Jiménez González, Coordinador General 33 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. del Programa Delfín, y a la Ing. Obeth Hernández Díaz, Consejera Técnica de dicho programa en el ITM; a la Academia Mexicana de Ciencias, en particular a la Ing. Saraí Malinal Torres Delgado y a la Sra. Ruth Marún; a los doctores Juan Francisco Luna Martínez y Edgar Reyes Melo por facilitar las películas de material híbrido; a la UANL; y a la familia Reynoso Pámanes. REFERENCIAS 1. L. E. Brus R. E. Siegel et al., Cluster and clusterassembled materials, J. Mater. Res., 4, 704 (1989). 2. V. V. Kresin, Photodisintegration sum rule and electron distribution in metal clusters ,Phys. Rep., 220, 1 (1992). 3. C. Kittel, Theoiy of the structureof ferromagnetic domains in films and small particles, Phys. Rep., 70, 965 (1946). 4. C. P. Bean, J. D. Livingson, Superparamagnetism, J. Appl. Phys., 30 120 (1959). 5. R. G. L. Audran, A. P. Huguenard, U. S. 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Bravo (2007). http:// www.pascualbravo.edu.co/buzon/ferney.rendon/ Materiales%20magn%C3%A9ticos.pdf Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos David Coureaux MustelierA, Alexey Goéz ÚsugaA, Blanca Reig LópezB, Luis Miguel Llanes PitarchA Dept. de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal•lúrgica, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona dacm50@yahoo.es B Sandvik Hard Materials – Sandvik Española S.A. A RESUMEN En este trabajo se estudia el comportamiento a rotura de diferentes calidades de carburos cementados WC-Co ultrafinos. Se efectuó una caracterización microestructural y mecánica de dichos materiales, incluyendo un análisis de la fiabilidad de los mismos aplicando la estadística de Weibull a los resultados obtenidos en los ensayos de resistencia a la flexión. Estos resultados se han evaluado mediante un enfoque basado en la mecánica de la fractura elástica lineal para establecer la relación entre el rendimiento de componentes fabricados de metal duro y la presencia de defectos críticos, así como con las propiedades intrínsecas de estos materiales. Para ello, el estudio incluye la determinación de la tenacidad a la fractura de las distintas calidades, implementando técnicas de indentación. PALABRAS CLAVES Carburos cementados, Resistencia a rotura, Tenacidad a la fractura, Mecánica de la Fractura, Calidades ultrafinas. ABSTRACT In this work, the fracture behaviour of different ultrafine hardmetal grades was studied. Microstructural and mechanical characterization of these materials was performed, including a reliability assessment through Weibull statistics analysis of the results obtained in the flexural strength tests. These results have been evaluated on the basis of a linear elastic fracture mechanics approach for establishing the relationship between the performance of parts made of hardmetals and the presence of defects, as well as with the intrinsic properties of these materials. This study includes the fracture toughness evaluation for the different hardmetal grades, by means of indentation techniques. KEYWORDS Cemented Carbides, Fracture strength, Fracture toughness, Fracture mechanics, Ultrafine grades. INTRODUCCIÓN Los carburos cementados WC-Co, también conocidos como metal duro, presentan una microestructura compuesta por partículas cerámicas, WC, aglomeradas por un ligante metálico (generalmente una solución solida rica en Co). Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 35 �Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos / David Coureaux Mustelier, et al. Esta particular microestructura le confiere una combinación de excelentes propiedades que les permite abarcar un amplio abanico de aplicaciones.1-2 Una de las propiedades mecánicas por la cual el metal duro es más empleado frecuentemente es su resistencia a la rotura transversal, siendo siempre la relación entre esta y la microestructura una cuestión atractiva que ha llamado la atención de muchos investigadores. Trabajos anteriores han dictaminado que el rendimiento de piezas y componentes fabricados de metal duro, está relacionado con los aspectos microestructurales.3-5 Otros reconocen que dicho rendimiento está condicionado además a la presencia de defectos pre-existentes en el material debido al procesamiento.6-7 Lo cual justifica el empleo de la resistencia mecánica como un indicador de calidad en la fabricación de carburos cementados. La tendencia a la miniaturización de herramientas a emplear en algunas aplicaciones, junto a la creciente demanda de materiales con una mayor dureza acompañada de un buen comportamiento mecánico, ha conllevado al desarrollo de calidades de metal duro de tamaños de grano cada vez más finos. Novedosas técnicas pulvimetalúrgicas se han desarrollado con la finalidad de obtener calidades submicrométricas, ultrafinas y nanométricas, en las cuales es imprescindible el uso de inhibidores del crecimiento del grano, así como una mejor clasificación y purificación de las materias primas; con el propósito de disminuir los defectos intrínsecos tanto en número como en tamaño.8 Sin embargo, para tamaños de granos muy pequeños resulta difícil controlar o evitar la presencia de estos defectos,1 lo cual conlleva a una influencia directa en la resistencia mecánica. El empleo de la Mecánica de la Fractura Elástica Lineal (MFEL) en el análisis del comportamiento a fractura de carburos cementados ha sido una acertada herramienta en la descripción del mecanismo de fractura de estos materiales frágiles (gobernada por la propagación inestable de los defectos pre-existentes en el material).9 En este contexto, está bien establecido que la relación entre los defectos pre-existentes en el material y la resistencia a la fractura de éste, a través de la tenacidad a la fractura (KIc), ecuación (1), donde Y es coeficiente adimensional que depende de la geometría de la probeta y el defecto así como la configuración del ensayo, ac es la mitad tamaño del defecto crítico y σrot resistencia a la rotura: 36 K Ic = Y σ rot πa c (1) La tenacidad de la fractura y la dureza son propiedades intrínsecas del material que resultan importantes parámetros para el diseño de herramientas y componentes. En ambas propiedades la microestructura del material juega un papel determinante. En numerosos trabajos reportan que son varios los parámetros microestructurales que influyen en las propiedades mecánicas del material; sin embargo, existe controversia en definir algún parámetro único para establecer estas relaciones. La mayoría de los autores concuerdan que los parámetros normalizadores que permiten una idea más clara de dicha influencia son la contigüidad de los carburos (CWC) y el camino libre medio de cobalto (λCo.)3 El objetivo de este trabajo consiste en evaluar la influencia de los parámetros microestructurales en la dureza, tenacidad de fractura y la resistencia mecánica de carburos cementados ultrafinos; los resultados obtenidos son entonces analizados para establecer una correlación entre la resistencia mecánica y las mencionadas propiedades, en un intento por definir estrategias de optimización microestructural que permitan mejorar el rendimiento mecánico de herramientas y piezas fabricadas de estos materiales. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se evaluaron tres calidades de carburos cementados con distintos parámetros microestructurales, en cuanto a contenido de cobalto y tamaño de carburo medio. La nomenclatura utilizada a lo largo del trabajo para definir las calidades (L21, L12, L22), describiéndose el procedimiento experimental en los siguientes apartados. Preparación de muestras y caracterización microestructural. Para la caracterización microestructural y mecánica del material las muestras fueron previamente desbastadas y finalmente pulidas según el protocolo detallado por Sailer y col.4 El tamaño de grano se determinó mediante micrografías de las calidades a estudiar mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) figura1. Estas micrografías se trataron posteriormente empleando un software de análisis de imágenes. En tanto el análisis de la composición Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos / David Coureaux Mustelier, et al. química del material llevado a cabo mediante la técnica de espectroscopía de difracción de rayos X (EDX), permitió determinar el contenido de cobalto presente en el material. Para determinar los parámetros microestructurales Cwc y (λ Co), se han empleado las expresiones propuestas en el trabajo de Roebuck y Almond,3 que se ajustan para un contenido de Co entre 5-35% en volumen. Así la contigüidad se estimaría a partir de la ecuación (2): evitar la presencia de posibles concentradores de tensión. Para cada calidad estudiada se ensayaron 10 muestras a flexión en cuatro puntos, con separaciones entre puntos de apoyo externos e internos de 40 y 20 mm respectivamente, y con una velocidad de aplicación de la carga de 100 N/s. Los ensayos se realizaron empleando una máquina servohidráulica INSTRON 8511. Finalmente, las superficies de fractura se analizaron a través de un minucioso examen mediante MEB. Fig. 1. Microestructuras obtenidas por MEB de las calidades estudiadas: a) Calidad L21, b) Calidad L12, c) Calidad L22. CWC (VCo ) = D n (2) siendo n y D constantes con valores de 0.45 y 0.2 respectivamente. Por su parte, los mismos autores plantean que para estructuras en las cuales una fase predomina sobre otras, tal que un valor de contigüidad puede ser definido, el camino libre medio viene dado por la ecuación (3): 1 VCo dWC λ Co = dCo = 1 − CWC VWC (3) Caracterización mecánica La caracterización mecánica llevada a cabo incluye la evaluación de la dureza, la tenacidad a la fractura y la resistencia mecánica. La dureza (HV30) y tenacidad a la fractura (KIc) se determinaron a partir de 10 indentaciones Vickers realizadas con un durómetro tipo FRANK 532 aplicando una carga de 294 N, en tanto la tenacidad a la fractura se determinó según la ecuación propuesta por Shetty y col.,10 donde H es la dureza del material y W es la resistencia a la grieta. KIc= 0.0889 (H*W) ½ (4) La resistencia mecánica se evaluó en términos de la resistencia a la rotura transversal, (σrot). Se ensayaron probetas prismáticas con dimensiones de 45x4x3 mm previamente pulidas en la zona sometida a tracción, redondeándose las aristas para Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Para estimar la fiabilidad mecánica de dichos materiales en cuanto a la resistencia a la rotura transversal, se aplicó la estadística de Weibull. Para ello, se empleó la siguiente función de probabilidad: Pf = n − 0,5 N (4) Donde n es el número de probetas que rompen por debajo de un esfuerzo determinado y N es el número total de probetas empleadas en cada calidad. Se supuso que los valores de fractura siguen la estadística de Weibull de acuerdo a la expresión (5): ⎡ ⎛ σ ⎞m ⎤ P = 1 − exp ⎢− ⎜ rot ⎟ ⎥ ⎢ ⎝ σ0 ⎠ ⎥ ⎣ ⎦ (5) Donde P es el esfuerzo de rotura que experimenta la probeta y los parámetros m y σ0 son constantes que gobiernan la distribución, donde m se relaciona con la fiabilidad de los materiales, siendo mayor a medida que la distribución de los esfuerzos de rotura es más estrecha.11 DISCUSIÓN Dureza y tenacidad a la fractura Los resultados de la caracterización microestructural y mecánica de las calidades estudiadas se muestran en las tablas I y II. 37 �Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos / David Coureaux Mustelier, et al. Tabla I. Parámetros microestructurales de las calidades de WC-Co estudiadas. Calidad VCo (%) dWC (μm) λCo (μm) CWC L21 11.4 0.17 0.05 0.53 L12 5,8 0,37 0,08 0,72 L22 13.3 0.40 0.12 0.49 Tabla II. Propiedades mecánicas de las calidades de WCCo estudiadas en este trabajo. Calidad L21 HV30 (GPa) 20,5±0.6 KIc (MPam½) 8,3±0.1 σrot (MPa) 1757±318 Módulo de Weibull 7 Módulo de 632 Elasticidad GPa L12 L22 18,8±0.8 8,7±0.1 2214±473 8 16.9±0,2 9.9±0,1 3287±313 8 667 633 Donde se aprecia la dependencia del comportamiento mecánico con respecto a los parámetros microestructurales. La dureza y tenacidad a la fractura obtenidas se ajustan acorde a lo indicado en la literatura, donde la dureza disminuye al aumentar el tamaño promedio de carburo y/o el contenido de ligante, observándose un comportamiento inverso para la tenacidad a la fractura. Sin embargo, al variar ambos parámetros es imposible establecer una relación simple. Este inconveniente se elimina al utilizar el camino libre medio de cobalto (λCo) como parámetro normalizador de la microestructura, en el cual se contabiliza la influencia tanto del tamaño medio de grano de los carburos como del contenido de cobalto (un aumento de tamaño de grano WC y/o contenido de ligante conlleva a un aumento de λCo), figura 2. De manera general, se observa que la dureza disminuye y la tenacidad aumenta a medida que aumenta el λCo. Resistencia mecánica: Su relación con las propiedades intrínsecas y defectos preexistentes en el material La resistencia mecánica en las calidades estudiadas mostró un incremento al aumentar el λCo, lo cual es acorde con comportamientos referidos en trabajos anteriores3,4 (figura 3a). Atendiendo a esto se puede inferir una relación entre la resistencia mecánica y las propiedades intrínsecas del material donde para un aumento de la dureza del material asociada con 38 Fig. 2. Tenacidad de la fractura y dureza con respecto al camino libre medio de cobalto. la disminución del λCo, los resultados obtenidos muestran una caída de la resistencia y de la tenacidad a la fractura, (figura 3b). Por su parte a medida que aumenta la tenacidad de fractura en el material existe un incremento en la resistencia mecánica. De forma concluyente se puede destacar que para estas calidades ultrafinas, un aumento del tamaño de grano y/o del contenido de ligante resulta una mejora en la resistencia a la rotura. Fig. 3. Resistencia mecánica y tenacidad a la fractura con respecto: a) camino libre medio de ligante, b) dureza del material. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos / David Coureaux Mustelier, et al. Se realizó un análisis fractográfico mediante MEB de las zonas de fractura resultantes de los ensayos de flexión, con la finalidad de observar el origen de la fractura en el material, encontrándose como inicios de fractura defectos intrínsecos al procesamiento: heterogeneidades microestructurales (inclusiones, poros y carburos grandes), mostrados en la figura 4. Posteriormente se realiza una comparación directa entre los tamaños de los defectos críticos medidos experimentalmente y los estimados a partir de un análisis en el contexto de la MFEL (ecuación 1), a partir de los resultados experimentales obtenidos de resistencia a rotura transversal y la tenacidad a la fractura (tabla III). Con el propósito de estimar los tamaños de los defectos que determinan la rotura, se utiliza el factor Y que corresponde a la solución de un defecto circular embebido en la muestra, es decir 2/π. Los resultados indican que la relación entre el defecto crítico y el tamaño de carburo medio, es mucho mayor en las calidades estudiadas a medida que disminuye el tamaño de grano. Este hecho ratifica que a pesar de las mejoras tecnológicas en el procesamiento de los carburos cementados, resulta difícil controlar la presencia de los defectos preexistentes en el material a medida que disminuye el tamaño de grano. Atendiendo al interés comercial sobre estas nuevas calidades, se llevó a cabo un análisis estadístico de Weibull para los ensayos de flexión, cuya distribución se muestra en la figura 5. Como era de esperarse para materiales con un comportamiento frágil característico, se percibió un comportamiento disperso de la resistencia mecánica, arrojando como resultado valores bajos del módulo de Weibull (m entre 7 y 8) (tabla II). La distribución de tensiones Fig. 4. Defectos críticos a partir de los cuales se origina la fractura del material: a) Calidad L21, b) Calidad L12, c) Calidad L22. Tabla III Tamaño de defecto crítico (experimental y estimado con un modelo de MFEL). Calidad 2ac estimado (μm) 2ac experimental (μm) L21 36 19-37 L12 24 14-34 L22 14 6-33 Mediante esta comparación se puede constatar el buen ajuste del enfoque de la MFEL con los resultados experimentales, así como la relación entre la tenacidad a la fractura y la resistencia a la rotura. Todas las calidades estudiadas presentan valores similares del tamaño de los defectos críticos experimentales, debido a lo cual un aumento de la tenacidad de fractura en el material se refleja en una mayor resistencia mecánica del mismo, como muestran los resultados alcanzados, Ello permite racionalizar el comportamiento mostrado en la figura 3a) con respecto a la variación del camino libre medio de cobalto. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 mostrada en la figura 5 y la inspección fractográfica efectuada a la superficie de fractura, sugieren un comportamiento bimodal en cuanto a σrot, y esto se debe a la naturaleza y tamaño de los defectos. Fig. 5. Distribución de Weibull de la resistencia a rotura en las calidades estudiadas. 39 �Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos / David Coureaux Mustelier, et al. Dicha tendencia acompañada de la variación en la ubicación de los defectos dentro de las muestras, serán responsables de la dispersión de los valores obtenidos de los ensayos y de la fiabilidad mecánica de estas calidades. Atendiendo a lo anteriormente dicho, los menores valores de σrot estarán asociados a un mayor tamaño de los defectos o a una mayor cercanía de los mismos a la superficie sometida a los mayores esfuerzos de tracción en los ensayos realizados. CONCLUSIONES Atendiendo a los resultados obtenidos en este trabajo se puede arribar a las conclusiones generales que se resumen a continuación: 1) El comportamiento mecánico varió atendiendo a la microestructura de las calidades estudiadas. Tal influencia se racionalizó empleando el camino libre medio de cobalto (λCo); permitiendo relacionar a la vez el comportamiento a la fractura con la tenacidad a la fractura y la dureza del material. El aumento del camino libre de cobalto conllevó un incremento en la tenacidad de fractura y la resistencia mecánica, así como a una menor dureza del material. 2) La resistencia a la rotura transversal está asociada a los defectos pre-existentes en el material. Encontrándose una buena correspondencia entre los valores de tamaños de defectos estimados y los experimentales. Este hecho indica que el comportamiento a la fractura está racionalizado satisfactoriamente mediante un análisis en el marco de la MFEL. 3) La fiabilidad mecánica de estos materiales podría mejorarse al intentar disminuir las heterogeneidades microestructurales encontradas en los mismos, las cuales se consideran las responsables de la fractura. AGRADECIMIENTOS Este trabajo es parte de las tareas desarrolladas por SANDVIK y UPC en el proyecto Forma0, financiado por el CDTI dentro del programa CENIT. Los autores reconocen la labor y el apoyo de todos los miembros del grupo Forma0, liderado por SEAT. Adicionalmente D. Coureaux agradece a la Agencia Española de Cooperación Internacional para el Desarrollo por la concesión de una beca MAEC-AECID. 40 REFERENCIAS 1. Upadhyaya, G. S.,Cemented tungsten carbides: production, properties and testing, Noyes Publications, New Jersey, USA, (1988), pp. 254261. 2 Davis, J. R., Cemented carbides, Tool Materials, ASM Specialty Handbook, ASM International, Materials Park, USA, (1998), pp. 36-58. 3 Roebuck, B. y Almond, E. A., Deformation and fracture processes and the physical metallurgy of WC-Co hardmetals, Int. Mat. Rev., (1988), 33, 90-110. 4 Sailer T., Herr M., Sockel H. G., Schulte R., Feld H. y Prakash, L. J., Microstructure and mechanical properties of ultrafine-grained hardmetals, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., (2001), 19, 553-559. 5 Fang Z. Correlation of Transverse Rupture Strength of WC-Co with Hardness. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. (2005), 23, 119-127,. 6 B. Liu B, Y. Zhang, S. Ouyang; Study on the relation between structural parameters and fracture strength of WC-Co cemented carbides. Materials Chemistry and Physics, (2000), 62, 35-43. 7 Y. Torres, Comportamiento a fractura y fatiga de carburos cementados WC-Co, Tesis Doctoral, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona (2002). 8 Gille, G., Szesny, B., Dreyer, K., van den Berg, H., Schmidt, J., Gestrich, T. y Leitner, G., Submicron and ultrafine grained hardmetals for microdrills and metal cutting inserts, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., (2002), 20, 3-22. 9 Torres, Y., Casellas, D., Anglada, M. y Llanes, L., Fracture toughness evaluation of hardmetals: influence of testing procedure, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., (2001), 19, 27-34. 10 Shetty, D. K., Wright, I. G., Mincer, P. N. y Clauer, A. H., Indentation fracture of WC-Co cermets, J. Mater. Sci., (1985), 20, 1873-1882. 11 S. Lingyan, Wu. Dongfang, Li. Yongdan; Optimal probability estimator for determining Weibull parameters. Journal of Materials Science Letters, (2003), 22, 1651 – 1653. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol bencílico en estados subcríticos y supercríticos Rodolfo Morales IbarraA, Mitsuru SasakiB,C, Motonobu GotoD, Armando T. QuitainB, Saida Mayela García MontesA Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME, Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales B Kumamoto University, Japan, Graduate School of Science and Technology C Kumamoto University, Japan, Bioelectrics Research Center D Nagoya University Department of Chemical Engineering E CIIDIT, UANL rodolfomoralesibarra@hotmail.com A RESUMEN En este trabajo se utilizó agua y alcohol bencílico en condiciones subcríticas y supercríticas para recuperar fibras de carbono de materiales compuestos para su reutilización potencial en componentes de alto desempeño. Los parámetros experimentales fueron la temperatura y el tiempo para la reacción de descomposición. Los métodos fueron evaluados por el índice de descomposición de la resina epóxica, que alcanzó hasta 89.1% y 93.7% con agua supercrítica y alcohol bencílico supercrítico, respectivamente. Las muestras fueron caracterizadas mediante microscopía de barrido de electrones (SEM, Scanning Electron Microscopy), que mostró fibras de carbono recuperadas limpiamente. PALABRAS CLAVE Reciclaje, Fibras de Carbono, Fluidos Subcríticos, Fluidos Supercríticos. ABSTRACT Benzyl alcohol and water in subcritical and supercritical conditions were used in this work for recovering carbon fibers from composite materials aimed to their potential reuse in high performance components. The reaction temperatures and decomposition times were the experimental parameters. The methods were evaluated by the decomposition rate of epoxy resin, which reached up to 89.1% and 93.7% with supercritical water and supercritical benzyl alcohol, respectively. The samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM), that showed cleanly recovered carbon fibers. KEYWORDS Recycling; Carbon Fiber; Subcritical Fluids; Supercritical Fluids. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 41 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. INTRODUCCIÓN Existen varias directrices que promueven el reciclaje de materiales compuestos, tales como el incremento de su uso en la industria aeroespacial, automotriz e industrias relacionadas; la cantidad de aeronaves que están llegando al fin del ciclo de vida; la generación de la legislación y política medioambientalista; el posible desarrollo de una industria de reciclaje de compuestos, por citar algunas. La descomposición de matrices poliméricas de compuestos se lleva a cabo de manera muy rápida por fluidos supercríticos comparado con métodos convencionales y experimentales.1,2 Los fluidos subcríticos y supercríticos tienen el potencial para ser la nueva manera de reciclar materiales compuestos ya que hoy en día estos materiales están siendo confinados o incinerados,3 lo cual no es una solución ideal desde el punto de vista medioambiental. Además, fibras muy limpias pueden ser recuperadas por este método. Por ejemplo, hasta un 79.3% de índice de descomposición puede ser alcanzado utilizando agua supercrítica. La reacción de descomposición puede ser mejorada aun más, alcanzando hasta un 95.4% de índice de descomposición agregando KOH como catalizador4 y hasta un 95% con alcohol supercrítico en sistemas de flujo semicontinuo.5,6 También se ha incrementado el uso de n-Propanol para este propósito.7 Mientras que las fibras retienen hasta un 98% de su resistencia a la tensión comparado a las fibras vírgenes8, el uso de diferentes aditivos ha demostrado que las fibras inclusive pudieran tener mejores propiedades después de tratamientos supercríticos.9 La industria de los compuestos se ha incrementado mundialmente, en el 2000 el consumo Europeo de compuestos termofijos alcanzó las 106 toneladas por año.10 En el 2005, la producción de plásticos en Japón fue de más de 6.1 millones de toneladas3 y de más de 210 millones de toneladas en todo el mundo,1 y en el 2008, la demanda mundial de fibras de carbono alcanzó 20,000 toneladas por año.4 Las ventajas de los materiales compuestos son muchas, incluyendo construcción monolítica de componentes de baja densidad, alta resistencia y relativamente buen comportamiento en fatiga comparado a los metales en aplicaciones aeroespaciales. Consecuentemente, los fabricantes están incrementando el porcentaje de materiales compuestos utilizados en aeronaves 42 y automóviles, de tal manera que algunos diseños de aeronaves comerciales utilizan ya más de 50% de materiales compuestos en relación al peso, específicamente hablando de sistemas, fibra de carbono - resina epóxica. Actualmente, la cantidad de aeronaves que alcanzan su fin de ciclo de vida son más de 100 unidades por año, mientras que los desechos de compuestos del sector automotriz fueron hasta 60,000 toneladas en el año 2011. Todos estos materiales de desecho son manejados en actualidad únicamente en vertederos. La legislación en la Unión Europea demandará a todos los fabricantes de vehículos el reciclaje de componentes que alcanzan el fin de ciclo de vida, con un objetivo de 85% de reciclabilidad de los materiales en vehículos nuevos a partir del 2015.11 La legislación gubernamental está siendo utilizada no solo para proveer de incentivos/ penalidades, sino también para prohibir prácticas actuales (por ejemplo, desechos). De tal manera que la reutilización y el reciclaje sean las únicas buenas opciones para seguir adelante con esta industria. Esta industria tiene gran potencial de desarrollo debido al alto valor invertido en la manufactura de compuestos, costos de materia prima, certificaciones y el desarrollo de las tecnologías necesarias. Este articulo describe un método experimental de recuperación y caracterización de materiales compuestos carbono - epoxy utilizando agua y alcohol sub y supercrítico como medio de descomposición de la matriz polimérica. Ambos solventes pueden ser considerados como “amigables” al medio ambiente debido a su bajo potencial de toxicidad y su capacidad de disolver compuestos epóxicos. El enfoque de este articulo está en el índice de descomposición de las matrices poliméricas y la caracterización de las fibras recuperadas por microscopía de barrido de electrones. EXPERIMENTAL Materiales Para este estudio se utilizaron preimpregnados de fibra de carbono - epoxy. El preimpregnado contiene 40% con respecto al peso en resina. Las condiciones de curado del preimpregnado fueron 60 minutos a 180 °C bajo vacio. Las muestras fueron manufacturadas con 4 capas de material preimpregnado de aproximadamente 0.5 g (1 cm de Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. ancho y 4 cm de largo) como se muestra en la figura 1a. Las fibras de carbono recuperadas se muestran en la figura 1b después de una reacción a 400 °C. Cada muestra fue pesada antes y después de la reacción de descomposición. Fig. 1. a) Muestra de compuestos antes de la reacción de descomposición. b) Fibras de carbono recuperadas después de la reacción de descomposición Reacciones de Descomposición Subcríticas y Supercríticas Un esquema del aparato experimental (AKICO Co. Japan) se muestra en la figura 2, el cual consiste en un reactor de inconel de tipo batch (aproximadamente 8.8 cm3 de volumen interno) y un horno eléctrico. El reactor se agita en forma mecánica en una oscilación cíclica horizontal con amplitud de 2 cm y una frecuencia fija de 60 ciclos por minuto. Se utilizó un volumen fijo de 4.4 cm3 de solvente en cada experimento. Se utilizó agua destilada Fig. 2. Diagrama esquemático del aparato experimental. a) Reactor Batch, b) Horno eléctrico, c) Movimiento mecánico horizontal cíclico. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 para los experimentos hidrotérmicos y alcohol bencílico para los experimentos solvotérmicos. Las propiedades críticas (Tc, temperatura crítica y Pc, presión crítica) del agua y el alcohol bencílico son Tc = 375 °C, Pc = 22.06 MPa y Tc = 403 °C, Pc = 4.57 MPa, respectivamente. El tiempo que el reactor tarda en llegar a la temperatura en el horno es aproximadamente 15 min. Índice de Descomposición El índice de descomposición (DR) de la resina epóxica en los compuestos fue calculado de acuerdo a la cantidad de resina remanente en composición sólida después del tratamiento, como se indica en la ecuación 1: DR = (Mc-Mr) / Me (1) donde DR es el índice de descomposición (porcentaje en peso), Mc es la masa del compuesto antes del tratamiento de descomposición, Mr es la masa del compuesto después del tratamiento de descomposición y Me es la masa de la resina epóxica en el compuesto antes del tratamiento de descomposición. Un DR = 100% indicaría una recuperación de fibras de carbono completamente limpias. Diseño de Experimentos El diseño de experimentos hidrotérmicos se presenta en la tabla I y el de los solvotérmicos en la tabla II. Después de haber medido Mc, el reactor fue cargado con la muestra de compuesto y el solvente. El reactor se colocó entonces en el horno eléctrico, previamente calentado a la temperatura deseada. Después de cierto tiempo, según el diseño de experimentos, el reactor fue enfriado en agua a temperatura ambiente; el producto de la reacción de descomposición fue filtrado y separado en sus fases líquida y sólida. Las fibras de carbono son entonces recuperadas y enjuagadas con etanol y agua destilada; inmediatamente después, las fibras fueron colocadas en baño ultrasónico en agua por 10 minutos y secadas en la campana de extracción por al menos 24 horas para entonces medir Mr. Análisis Termogravimétrico del Compuesto Se llevó a cabo un análisis termogravimétrico en una muestra del compuesto carbono-epoxy 43 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. calentando a 5 °C/min desde temperatura ambiente hasta 900 °C en una atmósfera de N2, utilizando crisoles de platino, uno para la muestra y uno vacío como referencia. El equipo utilizado fue un TG/DTA SII Nanotechnology EXSTAR 6000. Microscopía de Barrido de Electrones (SEM) Se utilizó un SEM FEI Nova NanoSEM 200 para el estudio de las superficies de las fibras de carbono recuperadas. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Análisis Termogravimétrico de la Muestra del Compuesto El termograma del análisis del TGA-DTA del material compuesto se muestra en la figura 3, y sirve de referencia para conocer la temperatura para recuperar las fibras de carbono. La curva derivativa de pérdida de peso en la misma figura (en rojo), DTG μg/min muestra un solo pico en el intervalo de temperatura entre los 300 °C y los 550 °C, indicando que la resina se degrada completamente a esta última temperatura. Las temperaturas máximas utilizadas en los experimentos hidrotérmicos y solvotérmicos fueron 400 °C y 425 °C respectivamente las cuales son relativamente bajas comparadas con las mostradas en el pico del termograma. los experimentos hidrotérmicos se incrementaron conforme a la temperatura y tiempo de reacción. Los experimentos a 250 °C mostraron resultados pobres con respecto al DR. Después de 1 hora, el DR fue 4%; después de 2 horas el DR fue 14%; a 4 horas el DR alcanzó apenas 21%; a 6 horas el DR fue 25% y a 8 horas no superó el 24%. El ligero decremento entre las 6 horas y las 8 horas se debe a los residuos sólidos que inclusive después de la descomposición quedan adheridos a la superficie del compuesto y que es difícil lavarlos. Ninguno de los experimentos a 250 °C produjo fibras de carbono limpias y quedaron como si no se hubieran tratado, con el aspecto de la figura 1a. Los resultados de los experimentos a 300 °C muestran el incremento de DR con respecto al tiempo. La delaminación de los compuestos ocurrió en algún momento entre las 4 horas y las 6 horas. Después de 8 horas, fue posible recuperar algunas fibras de carbono limpias en los extremos del compuesto. Los experimentos a 350 °C alcanzaron su valor máximo después de 2 horas de tratamiento. La delaminación ocurrió después de 4 horas de tratamiento y las fibras libres de resina fueron recuperadas después de 6 horas. Aunque después de 8 horas de tratamiento el DR fue 82%, una gran cantidad de fibras de carbono fueron recuperadas libres de resina. A 375 °C, se llevaron a cabo experimentos más cortos ya que se esperaban valores de DR más altos a temperaturas cercanas al punto crítico. A esta temperatura, después de 30 minutos, el DR fue 34% sin delaminación ni recuperación de fibras de carbono, mientras que a 1 hora el DR alcanzó 82% con delaminación entre Fig. 3. TGA-DTA análisis del compuesto carbono-epoxy. Índice de Descomposición de los Experimentos Hidrotérmicos y Solvotérmicos Las curvas de DR de agua subcrítica y supercrítica se muestran en la figura 4 y los datos de DR también se encuentran tabulados en la tabla I. De manera general, los índices de descomposición de 44 Fig. 4. Índice de descomposición de los experimentos hidrotérmicos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Tabla I. Índice de descomposición de los experimentos hidrotérmicos. Experimento Temperatura1 (°C) Tiempo Masa de Compuesto (g) Índice2 Compuesto/ Solvente (g/mL) Índice de Descomposición (%) 1 250 1h 0.5201 0.118 4.4 2 250 2h 0.5343 0.121 14.7 3 250 4h 0.5246 0.119 21.7 4 250 6h 0.5244 0.119 25.4 5 250 8h 0.5835 0.133 24.1 6 300 1h 0.559 0.127 23.8 7 300 2h 0.5751 0.131 43.9 8 300 4h 0.5512 0.125 70.8 9 300 6h 0.5683 0.129 72.5 10 300 8h 0.5715 0.130 76.1 11 350 1h 0.5563 0.126 77.2 12 350 2h 0.5216 0.119 81.5 13 350 4h 0.548 0.125 81.8 14 350 6h 0.4973 0.113 83.6 15 350 8h 0.53 0.120 82.4 16 375 30 min 0.4956 0.113 34.4 17 375 1h 0.5492 0.125 82.3 18 375 2h 0.5395 0.123 85.1 19 375 4h 0.5288 0.120 84.4 20 375 6h 0.5374 0.122 82.3 21 400 15 min 0.5303 0.121 24.5 22 400 30 min 0.5618 0.128 82.4 23 400 1h 0.5754 0.131 89.1 24 400 2h 0.556 0.126 80.4 25 400 4h 0.5066 0.115 87.2 1. Temperatura - Tiempo en alcanzar la temperatura en reactor: 15 minutos aproximadamente. 2. Índice de masa Compuesto/Solvente: 4.4 mL fijos de volumen de solvente en todos los experimentos. capas. Los resultados de DR fueron 85%, 84% y 82% después de 2, 4 y 6 horas de tratamiento respectivamente. En este caso también quedan residuos. Los experimentos a 400 °C mostraron que después de 15 min el DR alcanzó 24%, y después de 30 minutos el DR fue 82% y la delaminación entre capas fue parte de este resultado. Después de este punto, se recuperaron fibras de carbono limpias. Después de 1 hora el DR alcanzó 89%, pero decreció a 80% después de 2 horas, para tener un nuevo incremento a 87% después de 4 horas. La mejor explicación para el decremento en DR después de 1 hora de tratamiento es la aparición de Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 micropartículas esféricas que permanecen adheridas a las fibras de carbono las cuales incrementan Mr. Por lo tanto, podemos inferir que en realidad hay una mayor descomposición en esos experimentos; debido a la naturaleza gravimétrica del análisis y particularmente en esos experimentos, el DR no refleja de manera precisa la real descomposición de la matriz polimérica y recuperación de fibras de carbono. Las curvas de DR de alcohol bencílico subcrítico y supercrítico se muestran en la figura 5. Los datos de las descomposiciones solvotérmicas también se muestran tabulados en la tabla II. Los 45 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Tabla II. Índice de descomposición de los experimentos solvotérmicos. Experimento Temperatura1 (°C) Tiempo Masa de Compuesto (g) Índice2 Compuesto/ Solvente (g/mL) Índice de Descomposición (%) 1 250 1h 0.547 0.124 -17.0 2 250 2h 0.5365 0.122 -6.7 3 250 4h 0.5783 0.131 10.0 4 250 6h 0.5414 0.123 36.8 5 250 8h 0.5627 0.128 33.2 6 300 1h 0.5436 0.124 92.1 7 300 2h 0.5298 0.120 92.0 8 300 4h 0.5541 0.126 91.2 9 300 6h 0.5113 0.116 92.1 10 300 8h 0.5349 0.122 90.9 11 350 15 min 0.5196 0.118 -1.1 12 350 30 min 0.5605 0.127 92.4 13 350 1h 0.5277 0.120 92.2 14 350 2h 0.5606 0.127 92.3 15 350 4h 0.5441 0.124 93.1 16 400 15 min 0.5576 0.127 67.3 17 400 30 min 0.5586 0.127 93.3 18 400 1h 0.563 0.128 93.7 19 400 2h 0.5261 0.120 92.0 20 400 4h 0.5476 0.124 92.5 21 425 15 min 0.549 0.125 91.9 22 425 30 min 0.5369 0.122 93.4 23 425 1h 0.5132 0.117 90.8 24 425 2h 0.5517 0.125 92.2 25 425 4h 0.5165 0.117 90.7 1. Temperatura - Tiempo en alcanzar la temperatura en reactor: 15 minutos aproximadamente. 2. Índice de masa Compuesto/Solvente: 4.4 mL fijos de volumen de solvente en todos los experimentos. experimentos con alcohol bencílico generaron valores de DR relativamente más altos comparados con los experimentos hidrotérmicos, inclusive a bajas temperaturas y tiempos de reacción cortos. A 250 °C los resultados tienen un comportamiento interesante, a saber de DR -17% y -7% para 1 hora y 2 horas respectivamente. Estos valores negativos pueden ser explicados por el presente propuesto mecanismo de reacción de descomposición bajo la influencia de absorción de alcohol bencílico; en dicho escenario, el alcohol bencílico es absorbido en la matriz orgánica y comienza la solvólisis. En dichos experimentos, los tiempos son cortos y las temperaturas relativamente 46 Fig. 5. Índice de descomposición de los experimentos solvotérmicos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. bajas, por lo que no se ha suplido suficiente energía ni ha pasado suficiente tiempo para completar o inclusive iniciar la descomposición; por ello el incremento en el valor Mr que provoca valores negativos de DR. El DR fue 10%, 36% y 33% para 4, 6 y 8 horas respectivamente. El delaminado de los compuestos ocurrió después de 2 horas y fue posible recuperar algunas fibras de carbono limpias después de 4 horas. A 300 °C el DR fue similar para los cinco experimentos, 92%, 92%, 91%, 92% y 90% para 1, 2, 4, 6 y 8 horas respectivamente. Es posible inferir que la mayoría de las fibras de carbono del compuesto pueden ser recuperadas inclusive a tiempos cortos de reacción, ya que las muestras recuperadas en estos experimentos muestran fibras de carbono limpias y libres de residuos de resina epóxica. Un comportamiento similar fue observado a 350 °C con DR de -1%, 92%, 92%, 92% y 93% para 15 min, 30 min, 1, 2 y 4 horas respectivamente. En los experimentos a 350 °C se recuperaron fibras de carbono relativamente limpias y libres de residuos. A 400 °C el DR fue 67%, 93%, 93%, 91% y 92% para 15 min, 30 min, 1, 2 y 4 horas respectivamente en donde se encontró delaminación en el experimento de 15 min sin recuperación de fibras de carbono limpias, mientras que en el resto de los experimentos se recuperaron fibras de carbono limpias y libres de residuos epóxicos. A 425 °C en alcohol bencílico supercrítico, el DR alcanzó 91%, 93%, 90%, 92% y 90% para 15, 30, 1, 2 y 4 horas respectivamente; en todos los experimentos a dicha temperatura se recuperaron fibras de carbono limpias. La mayoría de las reacciones de descomposición solvotérmicas mostraron resultados con un alto DR de más de 90% excepto en algunos experimentos a 250 °C o tiempos de reacción demasiado cortos, por ejemplo, 15 minutos a 350 °C. Caracterización mediante SEM La caracterización de las fibras de carbono recuperadas con agua supercrítica a 400 °C mediante SEM se presenta en la figura 6. La figura 6a corresponde a las fibras recuperadas después de 15 minutos de reacción de descomposición, claramente consistente con el DR de 24%, donde la resina aún cubre la totalidad de las fibras; se presentan rompimiento de la integridad física de la resina y múltiples fragmentos de residuos sólidos. La figura 6b. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 muestra algunas fibras limpias recuperadas después de 30 minutos de tratamiento. En la figura 6c se observan las fibras obtenidas después de 1 hora de tratamiento con algunos residuos sólidos adheridos en la superficie de las fibras. Las fibras relativamente limpias de la figura 6d se obtuvieron después de 2 horas de tratamiento y las de la figura 6e después de 4 horas. La espectroscopía de rayos X por electrones dispersados (EDS) de la figura 6f demuestra que el tratamiento superficial original de las fibras de carbono con azufre (sizing) permanece después de la reacción de descomposición por agua supercrítica. La figura 7 presenta las muestras que exhibieron microesferas adheridas a la superficie de las fibras de carbono en agua supercrítica a 400 °C. Se encontraron micropartículas con tamaño de entre 3 y 5 μm adheridas a la superficie de fibras de carbono en los tratamientos de 30 minutos, 1, 2 y 4 horas de descomposición. Se propone que el mecanismo de formación consiste en que la resina epóxica se quiebra en pequeñas residuos y micropartículas, luego la agitación horizontal provoca turbulencia en el reactor y moldea por “boleo” los residuos solubilizados en esferas. Estas microesferas adheridas a la superficie de las fibras incrementan notablemente el valor de Mr, provocando un decremento en el valor de DR en los experimentos de agua supercrítica con duración mayor a 1 hora. Las muestras que presentaron estas microesferas fueron lavadas y enjuagadas de nuevo con agua, acetona y tetrahidrofurano, para ser de nuevo colocadas en baño ultrasónico con los mencionados solventes durante 5, 10, 15 y 30 minutos. Aún después del procedimiento de lavado se observó que las microesferas permanecen adheridas a la superficie de las fibras de carbono. La figura 7a. muestra las microesferas entre 2 y- 3 μm de diámetro después de 30 min de tratamiento, la figura 7b, las microesferas adheridas a una capa residual de resina sólida en una muestra con un tratamiento de descomposición de 1 hora. Es notable y relativamente obvia la afinidad de las microesferas a adherirse a estas capas de resina sólida. La figura 7c muestra las microesferas adheridas también en una muestra con un tratamiento de 1 hora de descomposición, la figura 7d, a las microesferas de entre 2 y 3 μm de diámetro adheridas a fibras de carbono con un tratamiento de 2 horas. En la figura 7e se aprecian microesferas más pequeñas, de 1 a 2 μm lo cual es la base para pensar 47 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Fig. 6. Micrografías SEM de las fibras de carbono recuperadas por el proceso hidrotérmico en agua supercrítica después de: a) 15 min; b) 30 min; c) 1 hora; d) 2 horas; e) 4 horas; f) EDS of fibras de carbono recuperadas con agua supercrítica a 400 °C después de 15 min. 48 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Fig. 7. Micrografías SEM de microesferas en la superficie de las fibras de carbono recuperadas en agua supercrítica a 400 °C después de: a) 30 min; b) 1 hora; c) 1 hora; d) 2 horas; e) 4 horas; f) 4 horas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 49 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Fig. 8. Micrografías SEM de fibras de carbono recuperadas por alcohol bencílico supercrítico a 425 °C después de: a) 15 min; b) 30 min; c) 1 hora; d) 2 horas; e) 4 horas; f) EDS de las fibras de carbono recuperadas con alcohol bencílico supercrítico a 425 °C después de 15 min. 50 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. en la posibilidad del mecanismo de descomposición y “moldeado” de las microesferas; la figura 7f. muestra las microesferas adheridas a las fibras de carbono después de un tratamiento de 4 horas. Las muestras de las reacciones con alcohol bencílico supercrítico a 425 °C se reportan en la figura 8. De la figura 8a a la figura 8e se muestran las fibras de carbono recuperadas de las reacciones de descomposición de 15 min, 30 min, 1, 2 y 4 horas respectivamente. El EDS (figura 8f) de fibras de carbono recuperadas con alcohol bencílico supercrítico después de 15 minutos de tratamiento no muestra rastro del tratamiento superficial (sizing) original en las fibras. Las diferencias entre las pruebas con diferentes solventes son visibles en la caracterización SEM y son apreciables de los valores más altos de DR en las reacciones con alcohol bencílico. Además, las fibras de carbono recuperadas con alcohol bencílico se encuentran más limpias y tienen una menor cantidad de residuos sólidos adheridos en la superficie. En cuanto a los mecanismos, se puede decir que la descomposición en los experimentos de agua y alcohol consisten en un proceso de difusión-descomposición de polímeros por rompimiento de los enlaces C-OC y C-N-C, además de la transferencia de masa de monómeros y compuestos. La difusión del alcohol bencílico supercrítico y su absorción en la matriz polimérica explica los valores negativos obtenidos en algunos experimentos. Por otra parte, el mecanismo en agua supercrítica consiste en el rompimiento de la matriz polimérica en piezas pequeñas y monómeros y una posterior disolución de residuos. CONCLUSIONES El agua y el alcohol bencílico son ambos buenos solventes bajo condiciones subcríticas y supercríticas para el reciclaje químico de compuestos de matriz polimérica termofija. El resultado de estos procedimientos es la recuperación de fibras relativamente limpias después de los tratamientos. El alcohol bencílico supercrítico mostró resultados de DR más altos, por encima de 90%. El agua supercrítica mostró resultados de DR por encima de 80%. En algunos casos los DR alcanzados son más altos que los reportados para sistemas de flujo semicontinuos usando solventes orgánicos en presencia de catalizadores. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 La turbulencia generada por el movimiento cíclico horizontal del equipo experimental hace una diferencia importante contra otros sistemas tipo batch. La recuperación de fibras de carbono limpias por el método solvotérmico ha sido corroborado por SEM. Después de la caracterización SEM, se puede inferir que también el método hidrotérmico produce fibras de carbono limpias en cuyo caso, las microesferas encontradas en la superficie están en detrimento del valor de DR mas las descomposición real es mayor. Ambos métodos, solvotérmico e hidrotérmico son factibles para industrialización. El alcohol bencílico pudiera presentar una opción más viable en términos de seguridad industrial debido a la menor presiones presentes en los reactores comparado con el agua supercrítica. Cualquiera de estos métodos deberá ser ajustado a escala industrial tomando en cuenta los factores de costos, tipos de reactores, aspectos medioambientales y las propiedades de las fibras recuperadas. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen las becas doctorales al CONACYT y el apoyo brindado por el personal en los diferentes laboratorios. REFERENCIAS 1. M. Goto, Chemical recycling of plastics using sub- and supercritical fluids, J. of Supercritical Fluids 47 (2009) 500–507. 2. S.J. Pickering, Recycling technologies for thermoset composite materials—current status, Composites: Part A 37 (2006) 1206–1215. 3. Tomoko Iwaya, Shinpei Tokuno, Mitsuru Sasaki, Motonobu Goto, Katsuji Shibata, Recycling of fiber reinforced plastics using depolymerization by solvothermal reaction with catalyst, J Mater Sci 43 (2008) 2452–2456. 4. R. Piñero-Hernanz, C. Dodds, J. Hyde, J. GarcíaSerna, M. Poliakoff, E. Lester, M.J. Cocero, S. Kingman, S. Pickering, K. Hoong Wong, Chemical recycling of carbon fibre reinforced composites in nearcritical and supercritical water, Composites: Part A 39 (2008) 454–461. 5. Raúl Piñero-Hernanz, Juan García-Serna, Christopher Dodds, Jason Hyde, Martyn Poliakoff, 51 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. María José Cocero, Sam Kingman, Stephen Pickering, Edward Lester, Chemical recycling of carbon fibre composites using alcohols under subcritical and supercritical conditions, J. of Supercritical Fluids 46 (2008) 83–92. 6. J.R. Hyde, E. Lester, S. Kingman, S. Pickering, K. Hoong Wong, Supercritical propanol, a possible route to composite carbon fibre recovery: A viability study, Composites: Part A 37 (2006) 2171–2175. 7. G. Jiang, S.J. Pickering, E.H. Lester, T.A. Turner, K.H. Wonga, N.A. Warrior, Characterisation of carbon fibres recycled from carbon fibre/epoxy resin composites using supercritical n-propanol, Composites Science and Technology 69 (2009) 192–198. 52 8. L. Yuyan, S. Guohua, M. Linghui, Recycling of carbon fibre reinforced composites using water in subcritical conditions, Materials Science and Engineering A 520 (2009) 179–183. 9. Y. Bai, Z. Wang, L. Feng, Chemical recycling of carbon fibers reinforced epoxy resin composites in oxygen in supercritical water, Materials and Design 31 (2010) 999–1002. 10. S.J. Pickering, R.M. Kelly, J.R. Kennerley, C.D. Rudd, N.J. Fenwick, A Fluidised-bed process for the recovery of glass fibres from scrap thermoset composites, Composites Science and Technology 60 (2000) 509-523. 11. The European Parliament and the Council of the European Union: End of Life Vehicles (ELV) Directive; 2000/53/EC, September 2000. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Eventos y reconocimientos I. INFORME DEL DIRECTOR DE LA FIME El pasado 24 de abril de 2013 se realizó la junta directiva en la que el Director de la FIME, M.C. Esteban Báez Villarreal, presentó el informe que corresponde a su gestión durante 2012. El MC. Esteban Báez Villarreal presentó los avances que se han llevado a cabo durante este año en referencia a cuatro ejes rectores: Innovación Académica, Capacidad Académica, Competitividad Académica y Gestión. También hizo mención de la importancia de la vinculación, la sustentabilidad, la cultura y los deportes, enfatizando la importancia de la FIME en el desarrollo de la región y del país, y el compromiso que ello significa. II. CEREMONIA DE RECONOCIMIENTO AL MÉRITO ACADÉMICO Y GRUPO DE LOS CIEN El pasado 30 de abril de 2013, se llevó a cabo una ceremonia en la que la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica distinguió a los alumnos con el más alto promedio de su carrera al terminar sus estudios de licenciatura, con el Mérito Académico, entregándoles la medalla Arturo Cárdenas Berrueto. También reconoció a los cien alumnos con los mejores promedios del semestre agosto – diciembre 2012, conocido como el “Grupo de los cien”. En dicha ceremonia estuvieron presentes en representación del Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, el Dr. Juan Manuel Alcocer González, Secretario Académico de la UANL; en representación del Director de la FIME, M.C. Esteban Báez Villarreal, el Dr. Arnulfo Treviño Cubero, Subdirector Académico; el Ing. Marco Antonio Ruiz Acuña por parte de Relaciones Interinstitucionales de TERNIUM. Los alumnos reconocidos con el “Mérito Académico” son: El Director de la FIME, M.C. Esteban Báez Villarreal, presentando su informe administrativo correspondiente al período 2012. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 Arturo Javier Leal Treviño (IMT) Marco Alan Fernández Ríos (IMTC) Héctor Alejandro Ríos Perez (IEC) Rubén Angel Montemayor Zamayoa (IEA) Idalia María Salinas Reyna (IMA) 53 �Entre los alumnos del grupo de los cien se distingue el joven Antonio Bernal Moreno, de la carrera de Ingeniero Mecánico y Electricista, quien tiene un promedio de 100. Alumnos reconocidos en la ceremonia al mérito académico y grupo de los cien. III. DÍA DEL MAESTRO El pasado 13 de mayo de 2013, se llevó a cabo el festejo del día del maestro de la FIME, en el cual se rindió homenaje a los maestros que cumplen 40, 35, 30, 25, 20 y 15 años de antigüedad respectivamente. El Director de la FIME, M.C. Esteban Báez Villarreal, entregó los reconocimientos, acompañado por el MEC. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL y Ex Director de la FIME, así como el Dr. Raúl Gerardo Quintero Flores y el M.C. Marco Antonio Méndez Cavazos, integrantes de la H. Junta de Gobierno de la UANL, y los Maestros Eméritos: M.C. Fernando Javier Elizondo El M.C. Arnulfo Treviño Cubero dirige un mensaje a nombre de los homenajeados en el día del maestro de la FIME. 54 Garza, M.C. Manuel Amarante Rodríguez, Dr. José Luis Cavazos García, Ing. René Montante Pardo, Ing, Antonio Garza Garza. Como Ex Director el M.C Lorenzo Vela Peña, así como el M.C. Juan Ángel Garza Garza, Consejero Maestro de la FIME y del Dr. Oscar de la Garza Castro, Secretario General del STUANL. IV. RECONOCEN A DOCENTES DE LA FIME POR SU TRAYECTORIA La UANL realizó el 14 de mayo pasado una ceremonia conmemorativa para reconocer públicamente a un total de 71 docentes de la UANL que han dedicado 40, 45, 50 y 55 años de su vida a la labor magisterial. Entre ellos se encuentra un grupo de 16 catedráticos de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica que recibió este reconocimiento público de manos del Rector, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, por su trayectoria docente de 40 años. Los maestros de la FIME reconocidos son: MC. Jesús Antonio del Bosque González MC. María Margarita Cantú Villarreal Ing. Francisco Javier Delgadillo Arreola MC. Fernando Javier Elizondo Garza Dr. César Elizondo González MC. Raúl Escamilla Garza MC. Eliezer Garza Elizondo MEC. Rogelio Guillermo Garza Rivera El M.C. Eliezer Garza Elizondo (centro), con el MEC. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL y el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año. XVI, No. 60 �Eventos y reconocimientos MC. Noé Hortiales Pacheco MC. María Blanca Elizabet Palomares Ruiz MC. Juan Antonio Pérez Patiño MC. María Guadalupe Ramírez López MC. José Guadalupe Ríos Martínez MC. Hugo Enrique Rivas Lozano MC. José Dolores Rivera Martínez MC. Ramiro Robledo Monsiváis V. RECONOCIMIENTO AL MÉRITO ACADÉMICO ANFEI Dentro de las actividades de la XL Conferencia Nacional de Ingeniería “Hacia la consolidación del espacio común de la educación superior en ingeniería”, organizada por la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería ANFEI, realizada del 5 al 7 de junio de 2013, en la Cd. de San Luis Potosí, se llevó a cabo la ceremonia de entrega del Reconocimiento al Mérito Académico ANFEI 2012. En esta ocasión el MC. Joel González Marroquín, profesor de la FIME-UANL, recibió este Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 reconocimiento que ANFEI otorga con el propósito de distinguir a los académicos que están siendo actores para el logro de su excelente trayectoria académica y profesional. También se reconoció al Ing. Ángel Mario García Amaya, egresado de la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista de la FIME-UANL en 2012, como uno de los mejores egresados de ingeniería del país en ese año. El M.C. Joel González Marroquín recibiendo el reconocimiento de ANFEI al mérito académico. 55 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Marzo - Mayo 2013 Orkidea Jazmín Cruz Vega, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 4 de marzo de 2013. Anabel Contreras Cisneros, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 4 de marzo de 2013. Nancy Maribel Arratia Martínez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Metodología de apoyo a la decisión en la selección de carteras de proyectos con beneficios o impactos de carácter social”, 5 de marzo de 2013. Cinthia Alejandra Limas Heredia, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 12 de marzo de 2013. Sergio Queletzu Ballesteros Méndez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 13 de marzo de 2013. Sara Angélica Faz Caballero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de marzo de 2013. Moisés Lino Alfaro, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de marzo de 2013. Paloma Yareth Flores Guerrero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de marzo de 2013. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. 56 Karla Mercado Aguirre, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de marzo de 2013. José Ernesto Luevano Fernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 20 de marzo de 2013. Anel Berenice Mata Barrios, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 22 de marzo de 2013. Israel Alduncín Alcántara, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 22 de marzo de 2013. Fernando Ibarra Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable, “Diseño de la geometría y caracterización de un motor híbrido de reluctancia autoconmutado”, 22 de marzo de 2013. Eberth Josué Abundis Márquez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 10 de abril de 2013. Nephtaly Sifuentes Acosta, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 17 de abril de 2013. Irasema Torres Cavazos, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 18 de abril de 2013. Cutberto Arellano Torres, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de abril de 2013. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año. XVI, No. 60 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Raúl Alejandro Castillo Flores, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 19 de abril de 2013. José Marcelo Velázquez Villarreal, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de abril de 2013. Juan Manuel Villarreal Ochoa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 19 de abril de 2013. Eli Martín la Fuente Guerra, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de abril de 2013. Anton Gonzalo Longoria Ortega, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de abril de 2013. Guadalupe Monserrat Hernández Céspedes, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 22 de abril de 2013. Karla Patricia Uribe Sierra, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 24 de abril de 2013. José Guadalupe Cid Aguilar, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Desarrollo de un vidrio verde azuloso de control solar para mercado arquitectónico y automotriz”, 25 de abril de 2013. Alejandro de Jesús Ibarra García, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 25 de abril de 2013. Oscar Ramón Resendez Cortés, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 26 de Abril de 2013. Karla Elizabeth Treviño Olvera, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 2 de mayo de 2013. José Granados Sifuentes, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 3 de mayo de 2013. Verónica López Saldaña, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 6 de mayo de 2013. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 Luis Fernando Domínguez Ortega, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 6 de mayo de 2013. Arisbeth Sias Chacón, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Desarrollo de propiedades mecánicas de un nuevo acero NiCrMo para la fabricación de anillos para componentes mecánicos”, 8 de mayo de 2013. Mario de la Rosa Limón, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 8 de mayo de 2013. Andrés Castrillón Escobar, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Una Metaheurística para un problema de carga y descarga en la repartición de bebidas embotelladas”, 13 de mayo de 2013. Mauricio Salvador Navarro Torres, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 14 de mayo de 2013. Guillermo González Campos, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Inteligencia Artificial, “Aplicación de una red neuronal artificial para la simulación y optimización del proceso de síntesis de Y-Bi2MoO6 como fotocatalizador”, 17 de mayo de 2013. Omar Josué Amaya Molina, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Generación y seguimiento de estrategias de operación para el ahorro de combustible y disminución de contaminantes en motores fuel injection”, 17 de mayo de 2013. Luis Fernando Rodríguez Martínez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable, “Decremento del punto de niebla y punto de flujo del biodiesel hecho a base de soja a través del uso de aditivos”, 20 de mayo de 2013. Victoria Rebillas Loredo, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Optimización de un proceso de envío de cerdos de engorda al matadero”, 21 de mayo de 2013. Claudia Eugenia Canales Nañez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Análisis microestructural de 57 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL una superaleación HAYNES 242 bajo diferentes procesos térmico-mecánicos”, 23 de mayo de 2013. Martha Lizeth Montemayor Chacón, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 23 de mayo de 2013. Oscar Rene Robledo Peña, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 23 de mayo de 2013. Eduardo Rodríguez Valdés, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable, “Diseño de un calorímetro para la evaluación de los efectos de la formación de escarcha en intercambiadores de calor”, 24 de mayo de 2013. 58 Rafael Olvera Arévalo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable, “Efecto de la inercia térmica de la envolvente sobre la climatización de edificios comerciales”, 24 de mayo de 2013. Miguel Santiago Martínez Tamez, Maestría en Ciencias de la Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Calidad en el servicio en capacitación a operadores de montacargas”, 27 de mayo de 2013. María Luisa Alejandra Cavazos Mata, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis, (Por materias), 27 de mayo de 2013. Karla Cecilia González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 30 de mayo de 2013. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año. XVI, No. 60 �Acuse de recibo ACTA UNIVERSITARIA RLMM Acta Universitaria es una revista bimestral publicada por la Universidad de Guanajuato que aborda temas de carácter científico sobre distintas disciplinas tales como ciencias biológicas, agropecuarias, de la salud, exactas e ingeniería. El número 7 (octubre-noviembre 2012) presenta el artículo “Análisis del ciclo de vida de la producción de biodiesel a partir del descarne procedente de la industria de la curtiduría”, en donde se plantea aprovechar recursos contaminantes producidos por esta industria. Se presenta también el artículo “Discusión en torno a las macro, meso y microestructuras en la migración masiva MéxicoEstados Unidos: finales del siglo XX e inicios del XXI. Una perspectiva diferente para entender este fenómeno de gran trascendencia en México”, en donde se analiza y discute la naturaleza de la migración internacional entre México y Estados Unidos. Para más información consultar en http://www. actauniversitaria.ugto.mx actauniversitaria@ugto.mx La Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales (RLMM) es una publicación científica, dedicada al campo de la Ciencia y la Ingeniería de Materiales. Publica trabajos de investigación en ciencia e ingeniería de los materiales (metales, polímeros, cerámicas, biomateriales y materiales compuestos) integrando la parte metalúrgica. Como ejemplo de este interés se pueden tomar los títulos de algunos artículos que se publicaron en su número de julio de 2013: “Efecto de la calcinación de hidrocalumitas como soporte de catalizadores sobre la reacción de hidrodesulfuración de tiofeno”, con un proceso en cerámicos que tienen una función aplicado a una reacción específica. Continuando con las propiedades, aquí estructurales y funcionales, por la adición de un elemento, se presenta el artículo “Efecto de la inserción de cerio en las propiedades estructurales, electroquímicas y ópticas de películas delgadas MoO3”. La revista se imprime y además está disponible en internet en el sitio http://www.rlmm.org Melody Cortés Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 Juan Aguilar Garib 59 �Colaboradores Castillo Rodríguez, Guadalupe Alan Ingeniero Mecánico Electricista por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Maestría en Ciencias, Diplomm-Ingeniuer en Ciencia de Materiales, Instituto de Materiales no Metálicos, Universidad Técnica de Clausthal, Alemania. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales y Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Colaborador en el CIDT del Grupo Peñoles, Profesor Investigador desde 1999, Subdirector de la División de Estudios de Posgrado de la FIME de 2002 a 2008. Director de Investigación de 2009-2012 Sus líneas de interés son: materiales cerámicos y refractarios. Claudia Elizabeth, Amaro Cortez Ingeniero Mecánico Administrador por la Facultad Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales en el año 2004. Sus líneas de interés son: materiales cerámicos refractarios. Coureaux Mustelier, David Ingeniero Mecánico. Profesor Asistente del Departamento de Mecánica y Diseño. Master en Diseño Mecánico y Dr. en Ciencias Técnicas por la Universidad Politécnica de Cataluña (2012). Miembro del Grupo Tribológico de la Universidad de Oriente. Sus campos de actuación son la ingeniería de materiales compuestos, métodos numéricos aplicados y materiales cerámicos de granos ultrafinos. Ha colaborado en investigaciones conjuntas con las universidades españolas de la Rioja, Politécnica de 60 Valencia y Vigo en la Red iberoamericana “Empresa, Diseño y Producto”. Ha publicado varias de sus investigaciones científicas en varias revistas seriadas como algunas de ellas pertenecientes al SCI como la Journal of Refractory Metals and Hard Materials, la revista Ingenierías de la Universidad Autónoma de Nueva León, México y Tecnología Química. Derbez García, Edmundo Licenciado por la Facultad de Ciencias de la Comunicación (1988) y por la Facultad de Filosofía y Letras de la UANL (2002), además cuenta con un diplomado en Apreciación de las Artes, MarcoUANL (2003). Ha sido reportero, enviado especial, editor y directivo informativo y colaboraciones en revistas de la UANL y externas. De 1985 a 1995 trabajó en el Diario de Monterrey; de 1997 a 2009 en Vida Universitaria y actualmente es director del Centro de Documentación y Archivo Histórico de la UANL. García Loera, Antonio Ingeniero Mecánico Administrador y Maestro en Ciencias de la Ingeniería de los Materiales por la FIME-UANL. Doctor en Ciencias de los Materiales Compositos y Poliméricos en el Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Francia. Actualmente es Catedrático- Investigador en la FIME-UANL. García Montes, Saida Mayela Licenciada Química Industrial (2008) y Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2011) por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Es candidata a Doctora en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año. XVI, No. 60 �Colaboradores Goéz Úsuga, Alexey Ingeniero de Materiales por la Universidad de Antioquia, Colombia (2005). En la actualidad es estudiante de doctorado en Ciencia de los Materiales en la Universidad Politécnica de Cataluña. Su principal línea de investigación recae en el comportamiento mecánico de aceros para trabajo en frio. Presenta publicaciones en revistas seriadas tales como “International Journal of Refractory Metals and Hard Materials”, “Surface and coatings technology”, “Procedia engineering”, entre otras. Goto, Motonobu Ingeniero Químico (1979), Maestro en Ciencias (1981) y Doctor en Ingeniería Química (1984) por la Universidad de Nagoya, Japón. De 1984 a 1988 trabajó en el Departamento de Ingeniería Química de la misma universidad, y de 1988 a 1993 fue profesor asistente en el Departamento de Química Aplicada, en la Universidad de Kumamoto, Japón. Realizó una estancia postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de California, Davies, y luego fue promovido a profesor asociado en el Departamento de Química y Bioquímica Aplicadas, en la Universidad de Kumamoto, y profesor en 2001. De 2007 a 2012 trabajó en el Centro de Investigación Bioeléctrica de la Universidad de Kumamoto. Es profesor del Departamento de Ingeniería Química, en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Nagoya, Japón, desde 2012. Guillén, Daniel Obtuvo el grado de ingeniero eléctrico por el Instituto Tecnológico de Morelia en el 2007 y el grado de Maestro en Ciencias por la Universidad Autónoma de Nuevo León en 2010, donde actualmente cursa sus estudios de doctorado. Sus áreas de interes son análisis de transitorios electromagnéticos en sistemas de potencia y diagnóstico de fallas en transformadores. Guzmán Hernández, Ana María Química por la Facultad de Química de la UNAM, Maestría en Ciencia de Materiales de la Escuela Superior de Física y Matemáticas del IPN y Doctorado en Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Docente desde el año 2001 y Profesor investigador a partir del 2003 en la FIME-UANL. Experiencia en Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 investigación en el Posgrado de la Facultad de Química de la UNAM de 1988-1991, Refractarios Mexicanos S.A. de C.V. de 1991-1995 y Quimiproductos, S.A. de C.V. de 1995-1997. Sus líneas de interés son: materiales cerámicos, refractarios, cementos y vidrios. Idárraga Ospina, Gina Recibió el grado de ingeniero eléctrico por la Universidad Nacional de Colombia, MedellínColombia en 2002 y el grado de Doctor por la Universidad Nacional de San Juan, Argentina en 2007. Desde 2008 es profesora investigadora en la Universidad Autónoma de Nuevo León. Sus areas de interes son el modelado y simulación de elementos del sistema eléctrico de potencia. Análisis de transitorios electromagnéticos, procesamiento digital de señales usando transforamada wavelet. Llanes Pitarch, Luis Miguel Ingeniero Mecánico. Doctor en Ciencia e Ingeniería de Materiales por la Universidad de Pensilvania, Filadelfia, EE.UU. Profesor Catedrático del Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica (2003) de la Unversidad Politecnica de Cataluña (UPC). Siendo en la actualidad el director de dicho departamento. Su investigación la desarrolla en el Centro de Integridad Estructural y Fiabilidad de los Materiales (CIEFMA). López Walle, Beatriz Cristina Ingeniera Mecánica -opción Mecatrónica- (2003) en la UNAM. Doctora en Microrobótica (2008) en la Université de France-Comté, en Besançon, Francia. Catedrático Investigador de la FIME y el CIIDIT de la UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Morales Ibarra, Rodolfo Ingeniero en Materiales por la Universidad Autónoma de Nuevo León en 2007. Maestro en Ciencias con especialidad en estructuras y materiales aeroespaciales en la Université Bordeaux 1, Francia–UFR de Physique–Ingénierie et Maintenance Aéronautique (2008). Maestro en Administración Industrial y de Negocios con Especialidad en Relaciones Industriales por la FIME–UANL (2011). Realizó una estancia académica (2009) en la Universidad 61 �Colaboradores de Kumamoto, Japón. Es candidato a Doctor en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Trabajó en el Departamento de Ingeniería de Monterrey Aerospace–MD Helicopters– y el Departamento de inspección de Monterrey Jet Center. Quitain, Armando T. Ingeniero Químico (1992) y Maestro en Ciencias en Ingeniería Química (1996) por la Universidad De La Salle, Manila, Filipinas. Doctor en Ingeniería Química por la Universidad de Nagoya, Japón. Es profesor asistente en la Escuela de Graduados en Ciencia y Tecnología de la Universidad de Kumamoto, Japón. Reig López, Blanca Ingeniera de Materiales por la Universidad Politécnica de Cataluña [UPC] (1999), Industrial por la UPC (2000) y de Materiales por la Escuela Europea de Ingeniería, Nancy, Francia (2000). En la actualidad es gerente de ingeniería en Sanvik-Española S.A. 62 Suárez Sandoval, Fralett Ingeniera en electrónica (2011) por el Instituto Tecnológico de Morelia. Graduada con mención honorífica tras haber alcanzado el más alto promedio en la historia del Instituto. Estudiante, y becaria CONACYT, del programa de maestría en Ingeniería de microsistemas en la Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, en Alemania. Sasaki, Mitsuru Ingeniero Químico (1995), Maestro en Ciencias en Ingeniería Química (1997) y Doctor en Ingeniería Química (2000) por la Universidad de Tohoku, Sendai, Japón. Fue investigador en el Genesis Research Institute, Inc., Nagoya, Japón; investigador asociado en el Departamento de Química Aplicada y Bioquímica, Universidad de Kumamoto. Desde 2005 es profesor asociado en la Escuela de Graduados de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Kumamoto, Japón. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año. XVI, No. 60 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 63 �64 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año. XVI, No. 60 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2013 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 16 Número Número de la revista 60 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2013, Año 16, No 60, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2013 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020823 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Bauxitas EIAO Material híbrido Nanopartículas Refractarios Transformador https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20782/Ingenierias_2013_Ano_16_No_59_Abril-Junio.pdf 5362dfe3fb78c98e11b37430dfa0409a PDF Text Text 59 ISSN 1405-0676 Fatiga mecánica Aglomerados de nanopartículas Moldes yeso-cemento Disolución de carburos ABRIL - JUNIO 2013, Año XVI, No. 59 REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN �Contenido Abril-Junio de 2013, Año XVI, No. 59 59 2 Directorio 3 Editorial: Divulgación de la ciencia y la tecnología Juan Antonio Aguilar Garib 6 Optimización de dispositivos para prueba de fatiga 13 Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB Moisés Jiménez Martínez, José Martínez Trinidad, Ulises Figueroa López Alejandro Estrada De la Vega, José Gabriel Durán Guerrero, Marco Antonio Garza Navarro, Iván Eleazar Moreno Cortez, Domingo I. García Gutiérrez, René Fabián Cienfuegos Pelaes 21 Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) Adán Juárez Montalvo, José Alfredo Jiménez Bernal, Claudia Del Carmen Gutiérrez Torres, Juan Gabriel Barbosa Saldaña 30 36 Síntesis y caracterización de LaNixCo1-xO3 (x= 0.3, 0.5, 0.7): Posibles aplicaciones en celdas de combustible de óxido sólido María Elizabeth Flores-Guerrero, Alan J. Salazar-Rodríguez, Leonardo Chávez-Guerrero, René Fabián Cienfuegos Pelaes, Moisés Hinojosa Rivera Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones Iván L. Samperio-Gómez, Claudia A. Cortés-Escobedo, Félix Sánchez-De Jesús, Ana María Bolarín-Miró 43 Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua Azael Martínez De la Cruz, Selene Sepúlveda Guzmán, Ulises Matías García Pérez 50 Efecto de la temperatura y tiempo sobre la disolución de la fase γ´y carburos sobre la aleación Waspaloy® Saraí Villalpando Hernández, Hugo Guajardo Martínez, Juan Antonio Pérez Patiño, Enrique López Cuellar, Martín Edgar Reyes Melo 58 Eventos y reconocimientos 60 Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL 62 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 65 Acuse de recibo 66 Colaboradores 69 Información para colaboradores Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 1 �Ingenierías, Año XVI, N° 59, abril-junio 2013. Fecha de publicación: 15 de abril de 2013. Revista trimestral, editada y publicada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de abril de 2013. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Número de reserva de derechos al uso exclusivo del título Ingenierías otorgada por el Instituto Nacional del Derecho de Autor: 04-2011-101411064600-102, de fecha 14 de octubre de 2011. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, de fecha 27 de marzo de 2012, concedido ante la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. ISSN: 14050676. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Ingenierías es una publicación trimestral arbitrada, editada por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionales, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. Las opiniones y contenidos expresados en los artículos son responsabilidad exclusiva de los autores. Prohibida su reproducción total o parcial, en cualquier forma o medio, del contenido editorial de este número sin previa autorización. Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. Versión en extenso en internet: http://ingenierias.uanl.mx/ Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2013 revistaingenierias@uanl.mx 2 DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector: Dr. Jesús Ancer Rodríguez Secretario General: M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico: Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado: Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura: Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Director de Publicaciones: Dr. Celso José Garza Acuña FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Director: M.C. Esteban Báez Villarreal Sub-Director de Estudios de Posgrado: Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Académico: M.C. Arnulfo Treviño Cubero REVISTA INGENIERÍAS Director y Editor Responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, FIME-UANL Redacción: Lic. Julio César Méndez Cavazos CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Samir Nagi Yousri Gerges, Brasil. UFSC, Florianopolis / Dra. Karen Lozano, USA. UT-Panam / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Óscar L. Chacón Mondragón, FIME-UANL / M.C. Fernando Javier Elizondo Garza, FIME-UANL / Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Moisés Hinojosa Rivera, FIME-UANL / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FCQ-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karisova, FCFM-UANL / Dr. Azael Martínez De la Cruz, FIME-UANL / Dr. Enrique López Cuellar, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIMEUANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH GRUPO CENTRAL EDITORIAL Tipografía y formación: Gregoria Torres Garay / Jesús G. Puente Córdova Indización: Dr. César Guerra Torres Diseño: M.A. José Luis Martínez Mendoza Fotografía : M.C. Jesús E. Escamilla Isla Webmaster: Ing. Cosme D. Cavazos Martínez / Ing. Dagoberto Salas Zendejo Impresor: René de la Fuente Franco Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 �Editorial: Divulgación de la ciencia y la tecnología Juan Antonio Aguilar Garib FIME-UANL juan.aguilargb@uanl.edu.mx Divulgar significa publicar, extender o poner al alcance del público información, como se hace con un secreto que se da a conocer. En el caso de la divulgación científica y tecnológica, o mejor, divulgación de la ciencia y la tecnología, se refiere a la actividad para dar a conocer a la sociedad los avances científicos y tecnológicos. Hay diferentes niveles de divulgación según las personas a las que vaya dirigida, hay notas para el público en general que pueden estar escritas por “periodistas científicos”, o “reporteros de la ciencia” que obtienen información de diferentes fuentes, tales como entrevistas, reportajes, boletines de prensa de laboratorios y centros de investigación, así como de artículos científicos, y luego condensan esa información y la presentan utilizando un lenguaje accesible para ese público. El periodista científico que escribe notas de ciencia popular debe tener un buen entendimiento de la ciencia, tal que pueda apreciar la relevancia del material científico y su consistencia con conocimiento establecido, a fin de evitar la exageración, la sobresimplificación y los malos entendidos que alimentan mitos. En todo caso, la buena calidad de la divulgación exige que la información que se ofrece sea comprobable. El artículo científico es también un nivel de divulgación de la ciencia, pero está dirigido a personas con formación científica. Estos trabajos deben presentar además de la conclusión, la evidencia que lleva a ella, e información suficiente sobre los planteamientos y experimentos realizados de manera que puedan ser reproducidos por terceros. Este tipo de artículos están sujetos a revisión por parte de pares de los autores antes de ser publicados y aún después de esto continúan siendo juzgados en cuanto a su validez por los lectores. El lenguaje que se utiliza no es el mismo que el de las notas, ya que los artículos van dirigidos a público con cierta formación. Es claro que las características del lenguaje accesible son diferentes para los niños, los estudiantes de niveles básicos y aquellos que se desenvuelven en el medio de la ciencia y la tecnología. Lo mismo es válido en cuanto al vocabulario, que se puede distinguir según el área, no es el mismo para la medicina que para la aeronáutica. Hay un grado de responsabilidad importante en la publicación de artículos científicos, pues son fuente de información tanto para los periodistas científicos como para otros científicos que los utilizan como referencia para sus trabajos de investigación, o para resolver controversias científicas. En ciencias exactas se recurre a pruebas cada vez más rigurosas para resolver una controversia y Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 3 �Divulgación de la ciencia y la tecnología / Juan Antonio Aguilar Garib. muchas veces la fuente de inspiración e información para el diseño de nuevos experimentos necesarios son los reportes que aparecen en estas publicaciones. La descripción presentada para los artículos científicos también es válida para los artículos tecnológicos, solo hay que considerar que los desarrollos tecnológicos los realizan los ingenieros, mas siendo que los ingenieros también saben de ciencia, pues la ingeniería hace uso de los principios científicos para crear sistemas que satisfacen diferentes necesidades de la sociedad, entonces los artículos tecnológicos también observan una forma de rigor y grado de responsabilidad en cuanto a sus declaraciones. No es difícil determinar si una contribución corresponde a la ciencia o a la tecnología. Lo que sí es un problema es que se dan casos en los que se justifica la ligereza con la que se tratan los detalles en una publicación argumentando que se trata de artículos de divulgación cuando se confunde la intención de lenguaje simple con la pérdida de contenido. Este tipo de artículos es con frecuencia más difícil de escribir porque se deben presentar y explicar los detalles en un lenguaje que alcanza a personas que no son especialistas. Es necesario tener presente que la construcción gramatical debe ser adecuada, cuidando la ortografía, lo que es propio del nivel cultural de un divulgador de ciencia y tecnología. La revista Ingenierías Llegado este punto, es oportuno dejar las generalidades y ubicarse particularmente en la revista Ingenierías, la revista de la casa, la cual contempla la divulgación de la ciencia y la tecnología de la manera que ya se ha expuesto. La revista Ingenierías está dedicada a la divulgación científica y tecnológica, artículos humanísticos del quehacer ingenieril, así como reportes de investigación. Los artículos son producto del trabajo directo de los autores y por supuesto están escritos en un lenguaje claro, didáctico y accesible para personas interesadas en estos temas. Los artículos tienen cierto grado de novedad o de originalidad, y cumplen con los aspectos ya mencionados propios del rigor científico. En conjunto esta descripción de la revista conforma su canon, es decir, sus características y normas, que por cierto se corresponden con las aceptadas internacionalmente. Un tema controversial en cuanto a su apego al canon de la revista se refiere a las simulaciones, pues aunque hay trabajos muy interesantes que están validados sólidamente, ya sea con mediciones, con modelación física o con pruebas de campo, también se dan propuestas de artículos que no pueden ser aceptados porque la simulación no se valida, no se hacen comparaciones o se hace contra otros modelos o simuladores de los que no se señala en qué condiciones fueron probados o qué limitaciones tienen. Esta circunstancia lleva a que la prueba no quede clara, o no lo sea, y el análisis y discusión de resultados pierdan su sustento. Es importante que los trabajos que involucran simulación tomen en cuenta que la validación es indispensable para proceder a la discusión, sobre todo porque la simulación es a final de cuentas solo una herramienta. Otros escritos que aunque son interesantes no pueden ser considerados como artículos de divulgación científica o tecnológica son las propuestas de proyecto, propuestas de modelos sin validación, propuestas de herramientas de análisis sin al menos un ejemplo de prueba con datos diferentes a los utilizados para su 4 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 �Divulgación de la ciencia y la tecnología / Juan Antonio Aguilar Garib. creación, los protocolos de tesis y los trabajos con resultados preliminares que no permiten realizar análisis o replicarlos. Los artículos con carácter humanístico frecuentemente pretenden apegarse al canon de revistas de ciencias sociales. Estas ciencias lo son tanto como las exactas y por lo tanto hay hipótesis que pueden ser probadas, con discusión y conclusiones. Es común que en este tipo de artículos la argumentación se sustente con citas en lugar de con pruebas, lo que no corresponde a cumplir con el rigor que las ciencias exigen. El abuso de las citas sugiere más la actitud de validación mediante consenso en lugar de prueba. Con apego a las características de estas ciencias, no hay justificación para omitir los detalles que conforman la reproducibilidad y validación de un trabajo de esta naturaleza. Tanto los artículos de historia, de administración, de educación y en general de ciencias sociales y humanas tienen la posibilidad de concluir en base a pruebas. Es importante que en estos trabajos se observe esta condición para que la discusión que emana del análisis de los resultados no se confunda con una opinión. En general, todo artículo debe cumplir con la oferta que hace en su introducción, debe proveer la información que da el marco a la investigación que se realiza, describir la experimentación o diseño, analizar y discutir los resultados y finalmente presentar una conclusión. Esta descripción del artículo es válida para una gran variedad de temas, mientras que el carácter de la divulgación está dado por el lenguaje empleado, no por el contenido. La revista Ingenierías fue presentada en 1998 y desde entonces ha evolucionado y llamado la atención de profesores y alumnos también en otras instituciones además de la nuestra, por lo que ha ampliado su cobertura. El número de contribuciones que la revista ha recibido a lo largo de poco más de quince años demuestra el interés de la comunidad dedicada a labores académicas, de investigación y docencia en publicar. El número de contribuciones aceptadas para publicación da cuenta de la comprensión de esta comunidad con respecto al carácter de divulgación de la revista. Estamos muy agradecidos con todas las personas que han colaborado con sus trabajos para publicación, con su tiempo y experiencia para arbitrar los trabajos, y con su entusiasmo para promover la revista. Es innegable la importancia de la divulgación que es además promotora de la vocación por las ciencias y es por eso que es del interés común en los centros de investigación e instituciones educativas de nivel superior. Quiero aprovechar esta ocasión para expresar además de mi agradecimiento, nuestra invitación a los estudiantes, investigadores y profesores relacionados con la ingeniería, tal como lo han hecho en diferentes oportunidades los directivos de la FIME-UANL, quienes siempre nos han brindado su apoyo, para que participemos en esta importantísima labor de divulgación de la ciencia y tecnología enviando artículos que por su calidad y pertinencia sean referencia en la sociedad, además de constituir un motivo de satisfación y orgullo para todos los que colaboramos en esta revista. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 5 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga Moisés Jiménez Martínez Volkswagen de México José Martínez Trinidad Instituto Politécnico Nacional Ulises Figueroa López ITESM CEM moisesjimenezmartinez@gmail.com RESUMEN En el diseño de dispositivos para pruebas de fatiga se debe conseguir que tengan la suficiente resistencia para transmitir fuerzas o desplazamientos y evitar que en ellos se genere resonancia. En este trabajo se propone minimizar el tiempo de diseño mediante la optimización multiobjetivo. El caso de estudio es una simulación estática para el dispositivo de pruebas de torsión de eje trasero de automóvil, se realizó la optimización topológica así como una optimización de forma definiendo diferentes perfiles estructurales en el mercado. Se obtuvo una geometría optimizada cumpliendo con la restricción de rigidez del dispositivo para transmitir el desplazamiento al eje de prueba. PALABRAS CLAVE Optimización topológica, Optimización de forma, análisis modal, análisis estático, correlación numérico-experimental. ABSTRACT The design of devices for fatigue test must guarantec that they have enough strength to transmit forces or displacements and avoid resonances in the device. In this work is proposed to apply optimization to reduce design time. The case study is a static simulation for the device of rear axle´s test, is performed the topology optimization to find the geometry and shape optimization defining different structural profiles in the market. It was obtained an optimized geometry meeting the constraint of the device´s stiffness to transmit the displacement to the test´s axle. KEYWORDS Topology optimization, shape optimization, modal analysis, static analysis, numerical-experimental correlation. INTRODUCCIÓN Para realizar las pruebas de durabilidad1 se sigue un proceso que consiste en la adquisición de cargas mediante la instrumentación de un vehículo el cual es sometido a condiciones normales de operación considerando diferentes variables como son los conductores y las condiciones de manejo. Con la información adquirida se construye un colectivo de cargas representando el manejo de un 6 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga / Moisés Jiménez Martínez, et al. porcentaje de la población además de incluir un factor para absorber la dispersión en las variables durante el manejo; este colectivo es extrapolado dependiendo la proyección de vida deseada.2 A partir de esta información se genera el requerimiento de prueba, las cuales pueden ser en dominio del tiempo o en dominio de la frecuencia. La mayoría de las pruebas son realizadas bajo condiciones de carga de amplitud constante, en estas la variable de carga (fuerza, desplazamiento, aceleración, temperatura) es elegida mediante un análisis de daño,3 en el cual se obtiene el número de repeticiones necesarias a determinado nivel de carga para reproducir una falla. Para la realización de estas pruebas se realiza el diseño estructural de los dispositivos, este proceso se puede realizar mediante métodos analíticos, sin embargo debido al incremento en la globalización de los mercados y el crecimiento en la competencia ha inducido a las compañías a implementar herramientas virtuales como la simulación de elementos finitos para lograr reducir los tiempos de desarrollo. Una metodología para este proceso es mostrada en la figura 1. Fig. 1. Metodología para el proceso de simulación. Con este proceso se observa que cuando un diseño no cumple los requerimientos de prueba se regresa al CAD o al preprocesador para modificar el modelo e iniciar nuevamente el análisis, esto se hace hasta que se cumplen los criterios de aceptación. Este proceso puede hacerse manualmente o con diferentes técnicas de optimización,4,5 la cual se realiza en base al espacio de diseño disponible en la geometría (G), Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 las cargas (C) así como los materiales empleados (M), en función de estas variables de diseño se realiza una medición del desempeño Pj.6 Pj = f (C , G , M ) (1) El elemento optimizado tiene una función que es lo que el elemento hace, el objetivo (ψo) que es lo que se maximiza o minimiza y las restricciones (ψi)que son las condiciones que se deben de cumplir. Matemáticamente un problema de optimización puede ser definido como: ψ o ( p ) = min(max) (2) ψ i ( p ≤) ≤ 0 (3) Pi ≤ Pj ≤ Ps (4) Siendo Pi y Ps el límite inferior y superior de las variables de diseño, la distribución del material es realizada por una modificación del módulo de Young de cada elemento en el espacio de diseño; cada elemento es considerado una variable de diseño y puede ser modificada durante el proceso de optimización. Actualmente en el mercado existen diferentes tipos de optimización: topológica,7,8 topográfica y de forma libre.9 La optimización topológica es usada para la determinación de bosquejos básicos de un nuevo diseño. Esto implica la determinación de características tales como el número y localización de agujeros, refuerzos y la geometría en general. Para la optimización de forma se varían dimensiones como alto y ancho, en donde estas variables son evaluadas para cumplir el objetivo de la optimización. En este trabajo se propone el uso de optimización multiobjetivo para mejorar los procesos de diseño de dispositivos para pruebas de fatiga. El caso de estudio es un análisis estático lineal empleando como primer paso la optimización topológica, integrando mediante una optimización de forma diferentes perfiles estructurales en el mercado. Se obtuvieron correlaciones con pruebas experimentales, los cuales muestran la factibilidad de implementar diferentes técnicas de optimización para el diseño de dispositivos de prueba. OPTIMIZACIÓN DE DISPOSITIVO La prueba de torsión del subensamble del eje trasero de automóvil se realiza mediante el 7 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga / Moisés Jiménez Martínez, et al. dispositivo mostrado en la figura 2, el cual tiene que transmitir un desplazamiento en ambos extremos; con esto se simulan condiciones de torsión sobre el cuerpo del eje. Se tiene la problemática de que en el desplazamiento en ambos lados del eje es diferente. Para el lado izquierdo se tiene un valor máximo de desplazamiento de 30.171 mm y el mínimo de -30.82 mm teniendo una amplitud de 30.4955. El objetivo de la optimización es reducir el peso con la restricción que el dispositivo transmita el mismo desplazamiento en ambos lados del eje de prueba y que el esfuerzo máximo esté dentro de la zona de vida infinita para prevenir fallas por fatiga, esto debido a que el dispositivo trabaja todos los días y la frecuencia de prueba es de 3Hz por lo que el dispositivo se somete a 94,608,000 ciclos anualmente. Como primer paso se realiza el análisis del dispositivo. El punto de aplicación de carga en el cilindro está desplazado del punto de aplicación en el eje. Para encontrar el valor de desplazamiento del cilindro nos basamos en los triángulos generados entre el cilindro y el dispositivo que se observan en la figura 4. Lc y Hc corresponden a la longitud y altura que genera el cilindro respecto al centro y Lpm así como Hpm corresponden al punto de medición en el eje. Fig. 2. Prueba de torsión de eje trasero. a) Cilindro, b) Celda de carga, c) Dispositivo para prueba de torsión y d) Eje trasero (Pieza de prueba). Se monitorea el desplazamiento en ambos lados del cilindro, con un equipo de medición QuantumXMX840A de la marca HBMMR con un transductor de hilo con hoja de datos (TEDS) que sirve para almacenar los datos de calibración (figura 3a). La figura 3b muestra la gráfica de desplazamiento, del lado derecho se obtiene un valor máximo de desplazamiento de 40.33 mm y el mínimo de -38.44, teniendo una amplitud de 39.385 mm. Fig. 4. Prueba de torsión de eje trasero. Fig. 3. Medición de desplazamiento, (a) Instrumentación y (b) gráfica de desplazamiento. 8 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga / Moisés Jiménez Martínez, et al. Igualando las ecuaciones 5 y 6 encontramos la relación para conocer el desplazamiento necesario en el cilindro para obtener en el eje 40 mm. Tanβ = Lc (5) Hc Lpm Tanβ = (6) Hpm RESULTADOS DEL ANÁLISIS ESTÁTICO La figura 6a muestra el valor máximo de esfuerzos que es de 223.5 MPa; la figura 6b muestra los resultados de desplazamiento generado que son +/-31.603 mm para el lado izquierdo y -39.6609 mm para el lado derecho. CONDICIONES DE FRONTERA Las restricciones espaciales son mostradas en la figura 5, en donde BC1: 6DOF=0, BC2, BC3: U1, U2, UR1, UR3=0 y BC4 (HC)=U3. Igualando las ecuaciones 1 y 2 y despejando Hc encontramos el desplazamiento para nuestro modelo. Por lo tanto BC4=(+/-)32.7 mm en el cilindro, para obtener en el eje 40 mm. Fig. 5. Restricciones espaciales. El modelo de elemento finito es construido con 25,172 elementos hexaédricos de primer orden y dos elementos resorte para simular la rigidez del eje. Los valores de rigidez son obtenidos de dividir la fuerza encontrada en la celda con el desplazamiento medido. K= F d (7) Con la ecuación 7 se obtiene la rigidez K1= 73.33N/mm que corresponde al lado izquierdo del eje y K2= 56.66N/mm que corresponde al lado derecho del eje de pruebas. PROPIEDADES DEL MATERIAL Las propiedades mecánicas son las de un acero estructural A36: Módulo de Young = 210,000 MPa, coeficiente de Poisson=0.3, densidad de 7.85e-9 tonne/mm3, límite elástico de 248 MPa y la resistencia última (Su) en 400 MPa. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Fig. 6. Resultados de la simulación, (a) esfuerzo y (b) desplazamiento. MODELO DE ELEMENTO FINITO PARA LA OPTIMIZACIÓN Una vez validada la metodología con la correlación del desplazamiento encontrado en la simulación y las pruebas experimentales, se realiza el modelo de elemento finito en el software Hypermesh para la optimización topológica, el cual está compuesto por 84 elementos Cpenta, 2 elementos Celas y 304,451 elementos hexaédricos de primer orden (figura 7). Los puntos de fijación del dispositivo al cilindro así como al eje y el punto central de rotación son áreas de no diseño. Los elementos donde puede o no haber material están definidos por el área de diseño. Las condiciones de frontera son las descritas para el análisis estático en la figura 6. Los resultados de desplazamiento en el análisis estático son simétricos por lo que solo se analiza cuando el cilindro se desplaza hacia arriba. 9 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga / Moisés Jiménez Martínez, et al. mover son mostrados en la figura 9; las condiciones de frontera son las mismas que para la optimización topológica así como para el análisis estático. Los resultados de la optimización de forma se muestran en la figura 10, se observa en el inciso a que todos los perfiles se pueden reducir en el ancho y en el inciso b se observa que el perfil superior también puede reducir su altura. Fig. 7. Modelo de elemento finito para la optimización. El objetivo de la optimización es disminuir el volumen con la restricción de que el esfuerzo sea menor al límite a la fatiga Se.10 Se=0.5 Su para Su<1378.9 MPa (8) La ecuación 8 se modifica considerando el factor de confiabilidad CR. Para una confiabilidad del 99.9999%, el valor es de 0.620. Se, R = (0.5Su ) x0.620 = 0.31Su (9) Usando la ecuación 9 se obtiene el valor de límite a la fatiga corregido Se,R que corresponde a 124 MPa. Considerando un factor de seguridad de 2.5 finalmente se obtiene la restricción de esfuerzo máximo en el dispositivo de 50 MPa. MODELO DE ELEMENTO FINITO PARA EL ANÁLISIS ESTÁTICO LINEAL Con el resultado de las optimizaciones topológicas y de forma, se determina el uso de un perfil de 101.6 x 50.8 mm de 4 mm de espesor con el cual se construye el modelo de elemento finito (figura 11), Fig. 9. Vectores para la optimización de forma. R E S U LTA D O S D E L A O P T I M I Z A C I Ó N TOPOLÓGICA Los resultados de la optimización topológica son mostrados en la figura 8. Los elementos que no trabajan se van eliminando; por el tipo de carga algunos elementos centrales van desapareciendo. A la geometría encontrada en la optimización topológica se le realizó una optimización de forma; para realizar esta optimización son definidas formas a la malla en el módulo de HyperMorph, definiendo los siguientes perfiles 101.6 x 101.6 mm y 50.8x 50.8 mm; los vectores generados de cómo la malla se puede Fig. 8. Resultados de la optimización topológica. 10 Fig. 10. Resultados de la optimización de forma. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga / Moisés Jiménez Martínez, et al. Fig.11. Modelo de elemento finito encontrado mediante optimización de forma. el cual tiene las siguientes características 10,845 elementos CQUAD, 143 elementos TRIA y 2 elementos resortes. Fig. 12. Resultados del modelo final (a) esfuerzo, (b) desplazamiento. RESULTADOS DEL ANÁLISIS ESTÁTICO Los resultados de esfuerzos son mostrados en la figura 12a el valor máximo del esfuerzo está en 10.7 MPa cumpliendo el objetivo de que el esfuerzo sea menor a 50 MPa. La figura 12b muestra el resultado del desplazamiento de 40.7 mm en los puntos donde se conecta el elemento resorte al dispositivo, logrando nuestra segunda y mas importante restricción de que el desplazamiento sea el mismo en ambos extremos. PRUEBAS EXPERIMENTALES Para verificar el desplazamiento en el dispositivo se realiza una medición; la figura 13a muestra el dispositivo y los resultados son mostrados en la figura 13b: se obtiene un desplazamiento de 40.6 mm para el lado derecho y 40.34 mm para el lado izquierdo. DISCUSIÓN Los resultados de esfuerzos son bajos comparados con el límite establecido, sin embargo la selección de una geometría diferente tenía como resultado que del lado izquierdo el desplazamiento fuera menor al del lado derecho del mismo; en el valor de 40.7 mm resultado del análisis numérico al compararlo con Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Fig. 13. Medición en dispositivo diseñado mediante optimización, (a) dispositivo y (b) resultado de la medición. 11 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga / Moisés Jiménez Martínez, et al. el análisis experimental se encontró una diferencia de 0.1 mm y 0.36 mm respectivamente y un error de 0.26 mm entre el lado derecho e izquierdo lo que se considera despreciable debido a la dispersión inherente a las pruebas de fatiga. El incluir las restricciones de manufactura definiendo diferentes perfiles estructurales permite al ingeniero de diseño disminuir las variables a elegir, lo que permite reducir los tiempos de desarrollo. Sin embargo estos resultados se deben interpretar con experiencia de diseñador, ya que el programa entrega superficies en el caso de la optimización topológica la cual no puede reproducirse muchas veces debido a la complejidad de la misma lo que tendría como resultado una pieza fundida; para este caso de estudio se determinó un perfil estructural por los costos de fabricación del mismo. Para el caso de la optimización de forma el resultado es una variación de la variable, en este caso la altura y el ancho del perfil, el diseño final en un resultado es definido en conjunto con el programa y el diseñador. CONCLUSIONES La optimización es un proceso interativo que requiere juicio humano e intervención en el proceso para combinar la creatividad ingenieril con la velocidad computacional. La aportación del presente trabajo radica en la integración de optimizaciones de forma a los resultados de la optimización topológica con esto se acotaron los resultados y se combinaron el proceso de optimización con la creatividad del diseñador. La optimización de forma permite incorporar restricciones de manufactura obteniendo diseños factibles de fabricación. La validación de los diseños demuestra la confiabilidad de la aplicación de esta metodología para realizar optimización multiobjetivo considerando restricciones de manufactura. AGRADECIMIENTOS MJM agradece el apoyo a desarrollo técnico de VWM por el apoyo para la realización de este trabajo. 12 REFERENCIAS 1. M. Jimenez, J. Martinez, Durability tests, Proceedings of the 13th World Congress in Mechanism and Machine Science (IFToMM), Guanajuato, México, 19-25 June, 2011,A23537. 2. K.L Kotte, Betriebsfestigkeit Studienbrief, Technischen Universität Dresden, 1999, pp 23-64. 3. A. Fatemi, L. Yang, Cumulative fatigue damage and life prediction theories: a survey of the state of the art for homogeneous materials, Int. J Fatigue 20, (1998) 9-34. 4. K. Saitou, K. Izui, S. Nishiwaki, P. Papalambros, “A Survey of Structural Optimization in Mechanical Product Development”, Transactions of the ASME 5 (2005) p. p 214-226. 5. H . E s c h e n a u e r , N . O l h o f f , T o p o l o g y Optimization of Continuum Structures: A review, Appl Mech Rev ASME 54 (2001) 331390. 6. M.F Ashby, Multiobjective Optimization in Material design and Selection, Acta Metalurgica 48 (2000) 359-369. 7. A. Albers, P. Häuβler, K. Puchner, F. Fischer, W. Witteveen, B. Lauber, Topology optimization of dynamic loaded parts using multibody simulation and durability analysis. Institute für Produktenwicklung NAFEMS Seminar: Optimization in Structural Mechanics, Wiesbaden Germany April 27-28, (2005). 8. C.D Chapman, K. Saitou, M. J. Jakiela, “ Genetic Algorithms as an approach to Configuration and Topology design”, Journal of Mechanical Design 116 (1994), 1005-1012. 9. Optistruct V10.0, Altair Engineering Inc. 10. Y. Lee, J. Pan, R. B. Hathaway, M. Barkey, Fatigue Testing and Analysis, Elsevier Buiterworth Heinemann, 2005. pp 126-138. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB Alejandro Estrada de la Vega, José Gabriel Durán-Guerrero, Marco Antonio Garza-Navarro, Iván Eleazar Moreno-Cortez, Domingo I. García-Gutiérrez, René Fabián Cienfuegos-Pelaes FIME-UANL CIIDIT, UANL marco.garzanr@uanl.edu.mx RESUMEN En este trabajo se reporta la síntesis y caracterización de aglomerados basados en nanopartículas de magnetita y bromuro de cetiltrimetil-amonio (CTAB) preparados a partir de emulsiones aceite en agua de nanopartículas de magnetita dispersas en medio orgánico, y el CTAB como surfactante. Las nanopartículas utilizadas en la preparación de los aglomerados se sintetizaron a partir del método del poliol. Las nanopartículas de magnetita y los aglomerados sintetizados se caracterizaron mediante microscopía electrónica de transmisión, y espectroscopia de infrarrojo (FTIR). Los resultados experimentales sugieren que la morfología de los aglomerados es dependiente de la concentración de CTAB, se obtuvieron aglomerados esféricos en los que existe un arreglo compacto de nanopartículas de magnetita. La estabilidad de dichos aglomerados se logra a partir de la adsorción de la sección lipofílica del surfactante CTAB a su superficie. PALABRAS CLAVE Nanopartículas, magnetita, CTAB, emulsión, aglomerados. ABSTRACT Synthesis and characterization of clusters based on magnetite nanoparticles and cetyltrimethyl-ammonium bromide (CTAB) that were prepared from oil-inwater emulsions, and magnetite nanoparticles dispersed into an organic media, using CTAB as surfactant agent. Magnetite nanoparticles, employed on the clusters preparation, were synthesized following a polyol method. Magnetite nanoparticles and their clusters were characterized by transmission electron microscopy and infrared spectroscopy (FTIR). Experimental results suggest that the clusters morphology depends on the concentration of CTAB; spherical clusters with dense nanoparticles arrangement were obtained. Stability of the clusters is due leaded to the adsorption of the lipophilic moiety of CTAB molecules over clusters surface. KEYWORDS Nanoparticles, magnetite, CTAB, emulsion, clusters. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 13 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB / Alejandro Estrada De la Vega, et al. INTRODUCCIÓN El desarrollo de nanoestructuras y materiales nanoestructurados ha tenido un gran auge en los últimos 20 años, debido principalmente a su amplia gama de aplicaciones. Un buen número de las contribuciones reportadas en la literatura se enfoca a la obtención de nanoestructuras magnéticas, mismas que hallan sus potenciales aplicaciones en áreas como: la biomedicina, en la cual este tipo de estructuras se aplican como marcadores, separadores de células, ingeniería de tejidos; y en la medicina terapéutica y de diagnóstico, en la que éstas se usan como inductores de hipertermia, vehículos dosificadores y de entrega localizada de fármacos, y de agentes de contraste en imágenes de resonancia magnética o terapia genética y de RNA interferente.1–8 Específicamente, la síntesis de nanoestructuras de óxidos magnéticos, tales como las ferritas espinela, se ha llevado a cabo a partir de diversas rutas. De ellas, es posible mencionar las que involucran la descomposición de dioles en medios orgánicos; esta ruta es conocida como el método del poliol. En ella, sales orgánicas de metales de transición son disueltas en disolventes orgánicos en presencia de dioles y ácidos grasos. Bajo condiciones de atmósfera controlada y alta temperatura, comúnmente cercana a la temperatura de ebullición del disolvente empleado, se logra la hidrólisis de las sales orgánicas y la subsecuente formación de nanopartículas de ferritas espinela.9,10 Un aspecto que distingue a las nanoestructuras obtenidas mediante esta ruta es la buena dispersión de tamaño de partícula, ya que controlando variables como la rapidez de calentamiento de la reacción y concentración de moléculas de ácidos grasos, es posible obtener nanopartículas con tamaño y morfología bien definidos. No obstante, el control del tamaño de partícula, la distribución del mismo y su morfología resultan parámetros limitados en la búsqueda de propiedades magnéticas específicas, ya que éstas también dependen del grado de interacción entre las partículas dispersas en un medio cualesquiera; la dispersión de las partículas en un material nanoestructurado es comúnmente heterogénea, lo cual deriva en que sus propiedades magnéticas sean más bien regidas por la interacción entre partículas. En consecuencia, es relevante que para el control de las propiedades 14 magnéticas de este tipo de materiales, las interacciones partícula-partícula sean consideradas. Al respecto, la preparación de nanoestructuras híbridas promete la obtención de nuevos y novedosos materiales con propiedades magnéticas “ajustables”, en virtud de que éstas pueden controlarse a partir del grado de confinamiento y distribución de partículas en entidades discretas como lo son los aglomerados.6-8 Por ejemplo, se ha reportado que mediante la combinación de las rutas químicas como la co-precipitación o poliol, y microemulsión, es posible la preparación de nanoestructuras híbridas basadas en nanoesferas de poliestireno o sílica, en donde nanopartículas/ nanoaglomerados de magnetita son encapsulados(as).8,11 Más aún, muchos autores recomiendan el uso de polímeros inteligentes y solubles en agua para la estabilización de dichas nanoestructuras.8,12,13 De entre los polímeros sugeridos para este fin sobresalen los polisacáridos y polipéptidos. En la presente contribución se reporta la síntesis de nanoaglomerados de partículas de magnetita, a partir de la combinación de rutas químicas como el método del poliol y microemulsión, como conocimiento básico para la obtención de nanoestructuras híbridas como las descritas anteriormente. Más aún, se establecen las condiciones a partir de las cuales es posible controlar el tamaño y morfología de aglomerados desde emulsiones aceite-en-agua de nanopartículas de magnetita. Es importante señalar que, a diferencia de las aproximaciones descritas en la literatura, siguiendo la aquí propuesta es posible obtener distribuciones de tamaño de aglomerados sumamente estrechas, aun a concentraciones de surfactante inferiores a las reportadas por otros autores. EXPERIMENTACIÓN Reactivos Se utilizaron como reactivos el acetil-acetonato de hierro (III) [Fe(acac)3, 99.9%], 1,2-hexadecanodiol (HDD, 90.0%), ácido oleico (OA, 90.0%), oleilamina (OL, 70.0%), di-fenil éter (DFE, 99.0%), hexano absoluto (HEX-Abs, 99.0 %), etanol absoluto (ETL-Abs, 99.0%), bromuro de cetiltrimetil-amonio (CTAB, 98%) y agua destilada (Millipore, ρ= 13 MΩ-cm). Todos los reactivos fueron provistos por la compañía Sigma-Aldrich y se utilizaron sin ningún tratamiento previo. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB / Alejandro Estrada De la Vega, et al. Síntesis de nanopartículas La síntesis de las nanopartículas de magnetita se logró siguiendo la ruta propuesta por Sun y colaboradores 14 aunque, a diferencia de lo ahí propuesto, se controló la rapidez de calentamiento de la reacción y la temperatura a la cual ésta tuvo lugar. La metodología que se siguió se describe a continuación. Primeramente, 2 mmol de Fe(acac)3, 10 mmol de HDD, 6 mmol de OA y 6 mmol de OL se mezclaron en un medio de 20 mL de DFE a temperatura ambiente y bajo un flujo continuo de nitrógeno. Una vez que los sólidos agregados a la reacción se encontraban completamente dispersos en el medio orgánico, la dispersión fue calentada a una tasa de 10 ºC/min, bajo condiciones de reflujo y purga constante con nitrógeno, hasta alcanzar una temperatura de 200 ºC; la reacción se mantuvo a esta temperatura durante 30 minutos. Posteriormente, la temperatura de la reacción se elevó a 250 ºC a una tasa de 5 ºC/min. Luego de 30 minutos, el reactor se retiró de la fuente de calor y el producto se enfrió de manera natural para su posterior recolección. Una vez recolectado, se agregaron al producto 40 mL de ETL-Abs y se centrifugó a 9500 RPM y 4 ºC durante 20 minutos; este proceso se llevó a cabo en dos ocasiones, previa remoción del solvente del sólido precipitado. El producto lavado se dispersó en HEX-Abs, en presencia de 50 μL OA y 50 μL de OL, sometiéndolo a ultrasonido durante 10 minutos. La dispersión se centrifugó a 6000 RPM y 20 ºC durante 10 minutos, para luego descartar el sedimento. El producto disperso en el medio de HEX-Abs fue posteriormente precipitado mediante la adición de ETL-Abs, centrifugado a 6000 RPM y 20 ºC durante 10 minutos, y secado a vacío. Finalmente, la muestra seca se dispersó en HEX-Abs, sometiéndola a ultrasonido por 1 minuto, a una concentración de 19 mg/mL. En lo sucesivo se hará referencia a esta muestra llamándola M19. Síntesis de aglomerados Para la síntesis de los aglomerados, se prepararon muestras a diferentes concentraciones de surfactante, agregando 200 μL de la muestra M19 a 4 mL de disoluciones acuosas de CTAB al 15, 10, 5, 1 ó 0.8 mM; en lo sucesivo se hará referencia a estas muestras llamándolas M19C150, M19C100, M19C050, Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 M19C010 y M19C008, respectivamente. Las mezclas resultantes fueron, primeramente, agitadas manualmente, para luego someterlas a ultrasonido durante 2.5 minutos, utilizando una microsonda controlada por un homogenizador tipo Teckmar. Las emulsiones obtenidas se calentaron indirectamente a 80 ºC (baño María) y agitaron a 500 RPM durante 10 minutos, a fin de evaporar el HEX-Abs utilizado para la preparación de la muestra M19. Finalmente, las muestras fueron almacenadas a 30 ºC en tubos de ensayo para su posterior caracterización. Caracterización Las características cristalinas y morfológicas, y de composición química de las muestras sintetizadas se analizaron por microscopía electrónica de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés) en un microscopio FEI, modelo Titan G2 80-300, empleando técnicas como imagen en campo claro (BF, por sus siglas en inglés), contraste en Z (HAADF-STEM, por sus siglas en inglés) y difracción de electrones (ED, por sus siglas en inglés). Para su caracterización, una gota de cada muestra fue depositada en rejillas de cobre para microscopía electrónica, tipo “lacey-carboncoated”, que fueron adquiridas de la compañía Electron Microscopy Science. La interacción entre las especies que constituyen cada muestra se caracterizó por espectroscopia de infrarrojo (FTIR, por sus siglas en inglés), usando un espectrómetro Thermo Scientific, modelo Nicolet. En este caso, 900 μL de cada muestra se mezclaron con 60 mg de bromuro de potasio (KBr, grado FTIR, ≥ 99%), para posteriormente secarse a 60 ºC durante una noche. Este procedimiento también se siguió para la preparación de muestras tomadas de reactivos como el CTAB, OA y OL, empleados en la síntesis de los materiales aquí reportados. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caracterización cristalina y morfológica La figura 1 muestra imágenes de TEM obtenidas de la muestra M19. En la figura 1(a) se muestra una imagen obtenida a través de la técnica de HAADFSTEM, en donde se aprecia que las nanopartículas sintetizadas presentan una morfología cuasi-esférica. El inserto en esta figura muestra una imagen de BF de una de las nanopartículas, en donde es posible 15 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB / Alejandro Estrada De la Vega, et al. Fig. 1. Resultados del estudio por microscopía electrónica de la muestra M19. (a) imagen de HAADF-STEM de varias nanopartículas (en el inserto se muestra una imagen de BF obtenida a altas magnificaciones de una de las nanopartículas observadas en la figura); (b) patrón de ED obtenido de las nanopartículas mostradas en (a); y (c) distribución de tamaño de partícula calculada para esta muestra. distinguir un arreglo regular de planos atómicos; el espaciamiento entre estos planos puede relacionarse con la distancia interplanar reportada para la familia {311} en la estructura cristalina de la magnetita (véase JCPDS: 19-0629). La cristalinidad de las nanopartículas sintetizadas es confirmada por el patrón de ED mostrado en la figura 1(b), en donde es posible distinguir reflexiones atribuibles a las familias de planos {220}, {311} y {400} de la magnetita. Más aún, como se observa en la figura 1(c), la distribución de tamaño de partícula, obtenida a partir de la medición de una población de aproximadamente 600 partículas, es estrecha y tiene como centro un tamaño de 4 nm, así como una desviación estándar de 1.8 nm. La figura 2 muestra imágenes de HAADF-STEM obtenidas de los especímenes M19C150, M19C100, M19C050, M19C010 y M19C008. Como lo sugieren estas imágenes, por debajo de una concentración de 5 mM de CTAB, los aglomerados muestran una morfología esférica y una dispersión que permite distinguirlos como entidades separadas, a pesar de la cercanía entre ellos [véase figuras 2(c) a (e)]. En contraste, a concentraciones superiores de 5 mM, es evidente que los aglomerados tienen una morfología irregular [véase figuras 2(a) y (b)]. Como se aprecia, la irregularidad de los aglomerados es mas evidente al usar una concentración de 15 mM [véase inserto en la figura 2(a)]; mientras que a una concentración de 10 mM, los aglomerados están mas dispersos y unidos por “tiras” de nanopartículas [véase inserto en la figura 2(b)]. 16 Fig. 2. Imágenes de HAADF-STEM obtenidas de las muestras: (a) M19C150, (b) M19C100, (c) M19C050, (d) M19C010 y (e) M19C008. Los insertos en las figuras ilustran imágenes obtenidas a altas magnificaciones (450, 640 ó 910 kX) de cada muestra. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB / Alejandro Estrada De la Vega, et al. El cambio en la morfología de los aglomerados sintetizados se puede explicar de la siguiente manera. 15,16 Cuando se añade a una disolución acuosa de surfactante anfifílico como el CTAB, un hidrocarburo, como el HEX-Abs, éste podrá “solubilizarse” en el interior lipofílico de entidades denominadas micelas. Durante este proceso, y dependiendo de la concentración del surfactante, las micelas se incharán hasta el grado de convertirse en microgotas, dando como resultado una microemulsión. Si la concentración de surfactante se incrementa por encima de su concentración crítica micelar (ccm), la solubilidad del medio orgánico se incrementará, aunque las dimensiones de estas microgotas aumentarán más allá de la capa de surfactante, provocando la deformación de las micelas. Por lo tanto, considerando que los aglomerados sintetizados son el resultado de la formación de una microemulsión, la deformación de las micelas conllevarán a la deformación de los aglomerados, cuando se usan concentraciones superiores a la ccm. La ccm del CTAB usado en este trabajo de investigación fue estimada a 30 ºC y tiene un valor de 1 mM. Más aún, como se observa en la figura 3, el tamaño promedio de los aglomerados es prácticamente invariante entre las muestras M19C050, M19C010 y M19C008, aunque la dispersión en su distribución se tiende a estrechar a una concentración de 1 mM de CTAB. Además, la densidad de nanopartículas en los aglomerados tiende a ser mayor para estas muestras, es decir, en aquellas preparadas a concentraciones justo en o alrededor de la ccm estimada para el CTAB. Lo anterior se encuentra asociado al balance hidrofílicolipofílico el cual, bajo estas circunstancias, tenderá a minimizar las fuerzas repulsivas entre la sección hidrofílica de las moléculas de CTAB (formación disoluciones micelares), gracias a la afinidad de su sección lipofílica para con el medio orgánico (emulsificación de sustancias orgánicas en medio acuoso) en que las nanopartículas de magnetita se hallan dispersas.16,17 Este balance promueve la efectiva “solubilización” del medio orgánico a manera de gotas discretamente distribuidas en el medio acuoso, y cuya evaporación aparentemente conduce a la formación de arreglos compactos de nanopartículas. No obstante, a fin de corroborar que las interacciones antes mencionadas son las que Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Fig. 3. Imágenes de HAADF-STEM en donde se observa la morfología y densidad de los aglomerados sintetizados en las muestras: (a) M19C050, (b) M19C010 y (c) M19C008, así como su correspondiente distribución de tamaño (a la izquierda de cada imagen). conducen a la formación de los aglomerados, se procedió a caracterizar las muestras sintetizadas por la técnica espectroscópica de FTIR. Caracterización espectroscópica La figura 4 muestra los espectros de FTIR obtenidos de los reactivos OL, OA y del espécimen M19. Como se observa, el espectro de OL muestra las bandas correspondientes a modo flexión del grupo amino (NH2) en 1566 y 795 cm-1; la flexión en el grupos metilo (CH3) en 1466 cm-1; estiramiento del enlace C-N en 1070 cm-1; y estiramiento del enlace C-C en cadena en 721 cm-1.18–20 Asimismo, en el espectro de OA se observan las bandas relacionadas a los modos de estiramiento de carbonilos (C=O) en 1713 cm-1; estiramiento en el plano de hidroxilos (OH) en 1466 cm-1; vibración tipo sombrilla de CH3 en 1414 cm-1; estiramiento de enlace C-O en carboxilos (-COO-) en 1284 cm-1; estiramiento fuera del plano de O-H en 937 cm-1; y balanceo de metilenos (CH2) en cadena en 715 cm-1.19–21 Por su parte, en el espectro obtenido de la muestra M19 (véase figura 4) se observan las bandas asociadas 17 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB / Alejandro Estrada De la Vega, et al. Fig. 4. Espectros de FTIR obtenidos de los reactivos (a) oleilamina, (b) ácido oleico y (c) de la muestra M19. a la vibración de enlaces Fe-O, a 633, 598 y 444 cm-1, en sitios tetraédricos y octaédricos de la estructura cristalina de la magnetita.18 Más aún, se aprecia una banda a 1527 cm-1, la cual puede atribuirse a la vibración de grupos COO- en moléculas de oleato adsorbidas a la superficie de las nanopartículas de magnetita; la desprotonación de las cadenas de OA y subsecuente adsorción de éstas en la superficie de nanopartículas de magnetita, es confirmada por la presencia de una banda a 1429 cm-1, que se encuentra relacionada a la vibración del grupo -NH4+ en las moléculas protonadas de OL.20 Además, la ausencia de la banda asociada al estiramiento de C=O en las moléculas libres de OA, a 1713 cm-1, sugiere una eficiente adsorción de moléculas oleato a superficie de las nanopartículas sintetizadas.21 La adsorción de estas moléculas a la superficie de las nanopartículas de magnetita proveen su estabilidad en el medio orgánico y resulta, como lo indican los resultados experimentales obtenidos por TEM, en una estrecha distribución en su tamaño de partícula. Por otro lado, la figura 5 muestra los espectros de FTIR obtenidos del CTAB empleado en esta investigación, así como de los especímenes M19C100, M19C050, M19C010 y M19C008. En el espectro experimental del CTAB se indican las bandas relacionadas a modos de vibración como22–24: estiramiento asimétrico y simétrico de CH3 en sección hidrofílica de la molécula (-N+-CH3), a 1487 y 1431 cm-1, respectivamente; vibración tipo tijera de 18 CH2 en la sección lipofílica de la molécula, a 1473, 1463, 1396 y 1385 cm-1; estiramiento del enlace CN+ en sección hidrofílica de la molécula, a 982, 960, 937 y 912 cm-1; y balanceo de metilenos en cadena [(-CH2-)n], a 731 y 719 cm-1. Además, como se muestra en la figura 5, los espectros obtenidos de las muestras sintetizadas exhiben bandas que se pueden relacionar a las modos de vibración observados en la molécula de CTAB. Sin embargo, es evidente que a medida que disminuye la concentración de CTAB en la muestra, las bandas relacionadas a vibraciones de CH2, modos tijera y balanceo en cadena, tienden a desaparecer. Este fenómeno indica un incremento en la magnitud de la barrera energética asociada a la vibración de CH2. Más aún, el hecho de que la vibración de los enlaces en la sección hidrofílica de la molécula de CTAB ocurran en el mismo intervalo de energía que para el CTAB puro, sugiere la formación de un arreglo compacto de cadenas de surfactante. Este arreglo de cadenas ocurre en torno a la superficie de los aglomerados sintetizados, a través de la adsorción de la sección lipofílica a la superficie de los aglomerados. La existencia de esta adsorción es apoyada por el corrimiento hipsocrómico de la banda relacionada a la vibración de Fe-O. Como se observa, existe un corrimiento de la banda a 444 cm-1, en el espectro de la muestra M19, a un valor de aproximadamente 452 cm-1, en el espectro de las muestras M19C050, M19C010 y M19C008. Fig. 5. Espectros de FTIR obtenidos del (a) CTAB puro, y de las muestras (b) M19C100, (c) M19C050, (d) M19C010 y (e) M19C008. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB / Alejandro Estrada De la Vega, et al. Es importante señalar que estos resultados son congruentes con lo observado a partir de estudio de la morfología de los aglomerados sintetizados, ya que a concentraciones de CTAB en las que no se apreció la formación de aglomerados de morfología regular, tal como la M19C100, no ocurre la desaparición de bandas relativas a la vibración de la sección lipofílica de las cadenas de CTAB, o un corrimiento significativo de la banda asociada a la vibración de Fe-O. CONCLUSIONES En este artículo se reportó la síntesis y caracterización de aglomerados basados en nanopartículas de magnetita y el surfactante CTAB. Los resultados experimentales obtenidos por microscopía electrónica de transmisión sugieren que la morfología de los aglomerados es dependiente de la concentración de CTAB empleada para su síntesis. Además, se encontró que a concentraciones cercanas a la concentración crítica de micela del CTAB es posible la obtención de aglomerados esféricos en los que existe un arreglo compacto de nanopartículas de magnetita. La estabilidad de dichos aglomerados se logra a partir de la adsorción de la sección lipofílica del surfactante CTAB a su superficie. Más aún, a diferencia de las aproximaciones descritas en la literatura, siguiendo la aquí propuesta es posible obtener distribuciones de tamaño de aglomerados sumamente estrechas, aun a concentraciones de surfactante inferiores a las reportadas por otros autores. En vista de ello, los resultados obtenidos en esta investigación servirán de conocimiento básico para la síntesis de nanoestructuras híbridas, basadas en estos aglomerados y polielectrolitos o polipéptidos, con la finalidad de incorporar a su arquitectura entidades como anticuerpos, enzimas o incluso moléculas de drogas. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen los financiamientos otorgados por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (proyecto No. 153482 del fondo SEP-CONACYT), y del Programa de Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (proyecto No. IT516-10). Además, los autores agradecen a las coordinaciones de materiales avanzados y del Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 laboratorio de microscopía electrónica del Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología, por las facilidades brindadas para la realización de este trabajo de investigación. BIBLIOGRAFÍA 1. 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El conducto que encierra al escalón tiene una relación de aspecto y contracción de 10 y 2 respectivamente. El número de Reynolds utilizado es función de la altura del escalón h y corresponde a un valor de Reh= 1 250. Se utilizó la técnica de velocimetría mediante imágenes de partículas (PIV) para obtener los campos de velocidad instantáneos y promedio del flujo para las posiciones de x/h = 0.3, 0.5, 1, 1.5 y 2. Estos resultados son comparados cuantitativamente con los de otros trabajos con respecto a la inclinación del perfil con la finalidad de determinar el efecto provocado en la tendencia del perfil cuando se utiliza una sección transversal de menores dimensiones. PALABRAS CLAVE Perfil, inclinación, técnica PIV, sección transversal. ABSTRACT This paper presents an experimental study of the flow in a forward facing step (FFS). The channel enclosing the step has an aspect ratio of 10 and a contraction ratio of 2. The Reynolds number is function of the step height h and corresponds to a value of Reh= 1250. The technique used was particle image velocimetry (PIV) which allowed to obtain the instantaneous and average velocity fields at x/h=0.3, 0.5, 1, 1.5 and 2. These results are compared quantitatively with those from other works in respect to the slope of the profile in order to determine the effect caused on the profile tendency when using a smaller cross-section. KEYWORDS Profile, slope, PIV, cross section. INTRODUCCIÓN Muchos estudios experimentales y numéricos han sido llevados a cabo para comprender la física del flujo con un escalón atrás (BFS) y flujo con un escalón al frente (FFS). Ambos casos constituyen un problema tipo a través del cual se pretende estudiar y comprender los fenómenos de separación, recirculación Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 21 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. y readherencia del flujo1 tan común en diversos dispositivos ingenieriles tales como: canales de superficie abierta, cámaras de combustión, equipo de transferencia de calor, turbinas de gas, etc. En comparación con el flujo con un escalón atrás, el flujo con un escalón al frente ha sido menos estudiado. Este último ha recibido más atención en años recientes debido a que muchos de los complejos fenómenos de flujo que se dan en la industria pueden estudiarse con este caso. La estructura básica del flujo con un escalón al frente comprende dos zonas de recirculación (vórtices), puntos de separación y readherencia y capas límite,2 tal como lo ilustra la figura 1; estas estructuras hacen enriquecedor el estudio del flujo con un escalón al frente ya que son las responsables de la caída de presión, y de una mejor transferencia de calor y masa en el flujo3 (tópicos de gran importancia en mecánica de fluidos). Fig. 1. Flujo con un escalón al frente FFS.1 Diversos trabajos han sido llevados a cabo con la finalidad de estudiar los mecanismos que regulan el comportamiento de dichas estructuras cuando se modifica la geometría del sistema, así como los fenómenos de inestabilidad y ruido que inducen estas estructuras. De forma específica, Marino y Luchini 4 realizaron un análisis adjunto para determinar la sensibilidad y estabilidad del flujo con un escalón al frente a perturbaciones externas; encontraron que la distribución espacial de los valores característicos de los modos de inestabilidad del flujo está fuertemente influenciada por el tamaño de las burbujas de recirculación. En la proximidad del valor del número de Reynolds crítico, se identificó que la burbuja posterior al escalón es la principal responsable de la inestabilidad del flujo. Wilhelm y Kleiser5 llevaron a cabo un estudio numérico del FFS encontrando que la longitud y altura de la zona de recirculación al frente del escalón son casi constantes para números de Reynolds bajos o flujo de Stokes (Re<0.1). En el caso de números de Reynolds 22 grandes (Reh= 1 200), la longitud y altura de la zona de recirculación aumentan proporcionales a Re0.6 y Re0.2 respectivamente. Wang y Gaster6 realizaron un estudio experimental para examinar el efecto de un escalón con borde afilado en la transición de la capa límite, establecieron una correlación entre el número de Reynolds de transición y la altura del escalón para un flujo al frente y atrás del mismo. La posición de transición se asocia con el factor “N” que define el crecimiento integrado de las ondas de inestabilidad en la transición. Encontraron que la capa límite del flujo en un FFS o BFS tiene una transición más rápida que la transición de la misma en una placa plana lisa, ya que las ondas de inestabilidad se amplifican más rápidamente que las de una superficie lisa, se observa que la reducción en el factor “N” que ocurre en el FFS o BFS se correlaciona con la altura del escalón, por lo que se puede determinar el valor de N a partir de la altura del escalón. Hahn C. et al,7 estudiaron las características acústicas del FFS con la finalidad de identificar las regiones responsables de la generación del ruido, encontraron que el sonido generado por el paso del flujo en un FFS es de banda ancha, ya que el sonido radiado se encuentra en una gama de frecuencia de 2 kHz a 10 kHz a un número de Reynolds de 24000; utilizaron una correlación que les permitió determinar que sólo en la región del escalón se puede encontrar una conexión entre la distribución de la velocidad y la presión local en la pared al campo de presión sonoro. Así mismo determinaron que esta región contiene una estructura significativa de vórtice bidimensional. Smith y Smits8 llevaron a cabo el estudio experimental de una capa límite turbulenta en un FFS. El montaje experimental utilizado consistió en modificaciones realizadas al escalón del FFS, tales como la inclinación del escalón a un ángulo de 20° hacia el frente. Las mediciones se realizaron en la zona del escalón utilizando sondas Preston. Los resultados muestran que en esta zona el perfil de velocidad promedio estaba alterado por las modificaciones hechas en el escalón. Las mediciones de la intensidad de la turbulencia revelan que existe una reducción en la magnitud del esfuerzo de corte y un decaimiento progresivo en el perfil de los esfuerzos de Reynolds. Por otro lado, Largeau y Moriniere9 realizaron un estudio experimental de un FFS, el cual consistió en cambiar la altura del escalón y la velocidad de la corriente libre. Utilizaron Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. sondas de presión para medir las fluctuaciones de la presión en la pared. Así mismo utilizaron la técnica PIV para analizar la topología del flujo. Los resultados mostraron que el comportamiento del flujo es función de la relación de aspecto y de la relación entre el espesor de la capa límite y la altura del escalón para números de Reynolds muy grandes (7.7x104 y 10.80x104). Se realizaron correlaciones espacio-tiempo entre la presión de la pared y los campos de velocidad, mismas que demostraron que los niveles más elevados de correlación se encuentran en la parte superior de la burbuja de recirculación, principalmente en la capa cortante y se extienden aguas abajo del punto de readherencia. Además, los resultados muestran que la frecuencia del movimiento en la zona de separación es importante en la organización del flujo en el punto de readherencia. El propósito de este estudio, es investigar la influencia de la relación de contracción H/h (figura 2) en la velocidad del flujo, conforme éste se acerca a la base del escalón. De forma específica se investiga el efecto de una sección transversal pequeña sobre el perfil de velocidad del flujo. Fig. 2. Esquema de un conducto con escalón al frente. MONTAJE EXPERIMENTAL Y CONDICIONES DEL FLUJO Los experimentos fueron llevados a cabo en un canal rectangular de acrílico transparente (1.4 m de longitud, 0.1 m de ancho, y 0.02 m de altura) que contiene un escalón de 0.01 m de altura, 0.1 m de ancho (figura 3) y fue colocado a una distancia de 0.7 m (zona de flujo completamente desarrollado) a partir de la entrada del canal, se utilizó una relación de aspecto de w/h = 10, lo cual garantiza que se tenga flujo bidimensional,10,11 así como una relación de Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Fig. 3. Montaje experimental. contracción de H/h=2. Los experimentos se llevaron a cabo utilizando velocimetría mediante imágenes de partículas (PIV) la cual es una técnica experimental no intrusiva. Las condiciones experimentales del flujo de agua corresponden a un Reh=1250 basado en la altura del escalón. Las mediciones se realizaron en la base del escalón, la región de visualización corresponde a un área de 22.76 mm x 16.89 mm. La cámara CCD tiene una resolución de 1600 x 1186 pixeles. La tabla I muestra las dimensiones de la configuración experimental actual y la utilizada por otros trabajos, así como de las condiciones del flujo, en ella se puede observar que la dimensión de la sección transversal utilizada en este trabajo, es mucho menor en comparación con la de los otros trabajos. RESULTADOS Se capturaron 200 imágenes mediante el uso de la cámara CCD, estas imágenes fueron divididas en ventanas de interrogación de 32 x 32 pixeles con un traslape de 50% para obtener los campos de velocidad del flujo en la zona de estudio mediante el uso del software Flowmanager. 100 campos de velocidad instantáneos fueron obtenidos. Se realizó un promediado temporal con los 100 campos de velocidad instantáneos, esto permitió obtener el campo de velocidad promedio mostrado en la figura 4 del cual se presentan perfiles de velocidad para 5 posiciones medidas a partir de la base del escalón, (x/h = 2, 1.5, 1, 0.5, 0.3). Estos perfiles de velocidad fueron obtenidos mediante la programación de algoritmos numéricos utilizando software Labview. Los resultados obtenidos son comparados con los de los investigadores mencionados en la tabla I. 23 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. Tabla I. Dimensiones del montaje experimental actual y de otros trabajos. Referencia Escalón (mm) Liu et al.13 Addad et al. 14 Hattori y Nagano.15 Altura Espesor Reh 20 20 300 13,200 500 50 100 170,000 70δ2 32δ2 40δ2 20 10 Camussi et al.16 Actual Reynolds Longitud 700 Zona de Experimentación Longitud Configuración Altura Espesor 300 300 Obstrucción 2,000 500 100 FFS-BFS 900 100δ2 30δ2 40δ2 FFS-BFS >10h 8,800 10,000 100 1,250 1,400 FFS-BFS 20 100 FFS Fig. 5. Perfiles de velocidad para x/h = 2. Fig. 4. Campo de velocidad promedio Reh=1250. Perfiles de velocidad En la figura 5 se muestra el perfil obtenido para la posición x/h = 2 y el de otros trabajos realizados en el tema, en ella se observa que la tendencia del perfil es muy similar en comparación con los trabajos de Liu et al13 y Hattori y Nagano;15 la tabla II muestra los valores de las magnitudes de la inclinación del perfil, entendiéndose por inclinación al recíproco del gradiente de velocidad, es decir (Δu/Δy)-1, de los valores mostrados en la tabla se puede observar que la inclinación del perfil de velocidad para el trabajo actual es menor en magnitud en comparación con los otros trabajos, lo cual concuerda con las magnitudes del número de Reynolds ya que para Hattori y Nagano Reh=900 y para el trabajo actual Reh=1 250, de la literatura especializada en mecánica de fluidos12 se sabe que conforme el número de Reynolds es incrementado la inclinación del perfil de velocidad debe disminuir. 24 La magnitud de inclinación marcada con ∞ en la tabla II en el primer punto para el caso del perfil de Hattori y Nagano se debe a que en este punto el flujo cambia de dirección (∆u/∆y→0), el flujo sale de la zona de recirculación y continúa su camino hacia el escalón. Algo sumamente interesante sucede cuando se comparan las inclinaciones del presente trabajo Tabla II. Inclinación del perfil para la posición x/h = 2. ADÁN HATTORI y NAGANO.15 (∆u/∆y)-1 LIU ET AL.13 y/h (∆u/∆y)-1 y/h y/h (∆u/∆y)-1 0.02 0.26 0.02 ∞ 0.01 1.04 0.05 0.23 0.04 2.90 0.07 1.39 0.07 0.28 0.06 3.48 0.10 1.73 0.09 0.25 0.10 0.97 0.15 1.04 0.11 0.28 0.12 0.73 0.18 2.08 0.14 0.38 0.15 0.87 0.23 3.11 0.16 0.45 0.16 1.16 0.26 2.08 0.18 0.66 0.19 0.77 0.31 1.56 0.21 0.52 0.21 1.16 0.34 1.73 0.23 0.68 0.23 0.77 0.38 5.14 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. y la del trabajo de Liu et al13 ya que aún cuando la magnitud del Reynolds utilizado en el trabajo de Liu et al13 es aproximadamente 10.5 veces mayor que el Reynolds utilizado en este trabajo, se observa que la inclinación del trabajo actual es menor que la de Liu; este comportamiento se atribuye a las dimensiones de la sección transversal utilizadas en este trabajo, ya que una sección transversal pequeña incrementa el gradiente de velocidad a lo largo de la sección transversal del ducto. Este resultado concuerda con el hecho de que en el trabajo de Liu et al13 se utilizó un área de mayor sección transversal que la del trabajo actual, por lo tanto el flujo que pasa por la sección de menor área transversal debe acelerarse disminuyendo la inclinación del perfil de velocidad, situación que se presenta en el perfil de este trabajo para esta posición. Los perfiles de velocidad para la posición x/h=1.5 son ilustrados por la figura 6, en ella se observa que la tendencia del perfil de velocidad del trabajo actual es similar a la tendencia del perfil para la posición x/h=2. Sin embargo, se observa que en el perfil de velocidad de Hattori y Nagano15 se presenta una zona de velocidad negativa para la región aproximada de 0<y/h<0.1 y -0.2<u<0, esta zona de velocidad negativa se atribuye a la zona de recirculación formada en la base del escalón como resultado de un número de Reynolds bajo, situación que no se presenta en el perfil de velocidad del trabajo actual para esta posición ya que el número de Reynolds de este trabajo es mayor que el Reynolds del trabajo antes mencionado. La tabla III muestra las magnitudes de la inclinación para cada perfil de Tabla III. Inclinación del perfil para la posición x/h=1.5. Fig. 6. Perfil de velocidad para x/h = 1.5. Fig. 7. Perfiles de velocidad para x/h=1. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 ACTUAL HATTORI Y NAGANO.15 y/h (∆u/∆y)-1 y/h (∆u/∆y)-1 0.02 0.78 0.01 -2.29 0.05 0.48 0.03 -128.27 0.07 0.37 0.06 2.38 0.09 0.30 0.08 2.38 0.11 0.38 0.10 -128.27 0.14 0.52 0.12 1.48 0.16 0.40 0.15 1.18 0.18 0.42 0.17 0.78 0.21 0.53 0.19 2.38 0.23 0.64 0.21 0.78 0.25 0.50 0.24 1.48 la posición x/h = 1.5, al igual que en el caso anterior se observa que la magnitud de la inclinación para el perfil actual es menor que para el caso de Hattori y Nagano.15 Los valores negativos en dicho perfil se deben al cambio de la dirección del flujo, resultado de la existencia de una zona de recirculación o de baja presión. Como se puede observar en la figura 7 (x/h = 1), todos los perfiles de velocidad incluyendo el del trabajo actual presentan una zona de velocidad negativa para una zona aproximada 0≤y/h≤0.1 y -0.2≤u≤0; esto se debe a que el flujo se encuentra en una posición próxima a la base del escalón y por lo tanto la zona de recirculación (vórtice) del flujo formada en la base del escalón tiene mayor influencia en el comportamiento que presentan cada uno de los perfiles de velocidad. La tabla IV muestra las inclinaciones para cada perfil, estos 25 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. Tabla IV. Inclinación del perfil para la posición x/h=1. ACTUAL LIU ET AL.13 HATTORI Y NAGANO.15 26 y/h (∆u/∆y)-1 LECLERQ ET AL.17 y/h (∆u/∆y)-1 y/h (∆u/∆y)-1 y/h 0.02 4.93 0.02 3.09 0.01 ∞ 0.04 2.40 0.04 1.19 0.05 1.75 0.05 3.09 0.03 -2.32 0.08 2.00 0.06 1.33 0.07 0.76 0.08 1.86 0.05 ∞ 0.12 0.80 0.07 0.99 0.09 0.54 0.16 1.38 0.06 ∞ 0.13 1.00 0.08 1.33 0.11 0.57 0.12 1.04 0.07 ∞ 0.15 0.50 0.09 1.02 0.14 0.42 0.14 1.29 0.08 ∞ 0.17 0.75 0.22 1.02 0.16 0.52 0.19 2.07 0.10 ∞ 0.19 0.67 0.11 0.50 0.18 0.69 0.22 2.07 0.12 ∞ 0.20 0.68 0.12 1.19 0.21 0.47 0.26 1.38 0.13 ∞ 0.22 0.66 0.14 0.50 0.23 0.66 0.29 3.09 0.14 2.32 0.24 0.36 0.15 0.80 0.25 0.83 0.32 0.78 0.16 2.32 0.25 0.57 0.16 1.33 0.28 0.61 0.35 0.78 0.18 1.45 0.26 0.33 0.17 0.99 0.30 0.75 0.38 1.55 0.21 1.16 0.27 0.40 0.18 1.99 valores indican que para la mayoría de los perfiles de velocidad, el gradiente de velocidad disminuye en la zona cercana a la pared inferior del canal, así mismo se puede observar que el perfil de velocidad de Hattori y Nagano, el cual tiene el número de Reynolds más bajo y presenta la inclinación con mayor magnitud. Se observa que la inclinación del perfil actual para la posición y =0.02 es mayor en comparación con la magnitud de los otros trabajos porque en este punto en especial, el flujo es afectado por la zona de recirculación, cuando el flujo se aleja de la pared inferior del escalón la influencia de la zona de recirculación disminuye y la componente de velocidad u del flujo se recupera cambiando de dirección (continúa su camino hacia el escalón). El comportamiento anterior se ve reflejado en una disminución de la inclinación del perfil; al final el responsable de este comportamiento es el número de Reynolds ya que para todos los perfiles con excepción del perfil de Hattori yNagano el número de Reynolds es mayor que el del trabajo actual. Sin embargo, la inclinación para el perfil actual cuando el flujo se aleja de la pared inferior del canal disminuye por la influencia de la sección transversal, es decir, la pared superior del canal tiene una influencia significativa en la tendencia del perfil. En otras palabras, la dimensión de la sección transversal del canal influye sobre el flujo disminuyendo la inclinación de la (∆u/∆y)-1 ADDAD ET AL.14 y/h (∆u/∆y)-1 distribución de la velocidad. Para la posición x/h = 0.5 la figura 8 ilustra el perfil de velocidad actual y el obtenido por Hattori y Nagano; en ésta se puede observar que ambos perfiles presentan una zona de velocidad negativa o recirculación, resultado de una mayor influencia del vórtice formado en la base del escalón. De igual forma se observa que la zona o región de recirculación es mayor para ambos perfiles en comparación con la zona de recirculación presentada en la figura 7, ya que para la figura 8 la zona de velocidad negativa corresponde a una región de: 0≤y/h≤0.3, -0.22≤u≤0. Como se puede observar en la figura 8 la zona de velocidad negativa o recirculación ocupa una menor región en el caso del perfil actual en comparación con el de Hattori y Nagano (0≤y/h≤0.2 y -0.14≤u≤0), esto se debe a que en el caso de estudio antes mencionado el número de Reynolds utilizado es menor (Reh= 900), en comparación con el del trabajo actual (Reh= 1250), lo cual se refleja en el caso de Hattori y Nagano en una zona de recirculación mayor en comparación con la zona de recirculación del trabajo actual. En esta posición es interesante realizar un análisis más detallado de la pendiente de cada perfil; este análisis permite determinar la razón de cambio de la velocidad con la posición o la distancia conforme el flujo se acerca al escalón, con lo cual se puede deducir qué está sucediendo con la velocidad en cada perfil. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. Fig. 8. Perfiles de velocidad para la posición x/h = 0.5. La tabla V muestra la posición y magnitud de la pendiente para cada perfil. Como se muestra en la tabla V, los primeros valores de la pendiente para cada perfil son negativos, valores que concuerdan con el hecho de que en esas posiciones existe una zona de recirculación o velocidad negativa. De igual forma se puede observar que para la zona 0.02≤y≤0.05 la magnitud absoluta del valor de la inclinación para el perfil actual es mayor en comparación con el de Hattori y Nagano. Lo anterior se explica de la forma siguiente: se sabe que el número de Reynolds del trabajo actual es mayor que el del trabajo de Hattori y Nagano, por lo tanto la zona de recirculación del trabajo actual debe ser menor que la de ellos, es decir, la velocidad del flujo para el caso actual Tabla V. Inclinación del perfil para la posición x/h=0.5. ACTUAL y/h HATTORI Y NAGANO.15 (∆u/∆y)-1 y/h (∆u/∆y)-1 0.02 -0.68 0.02 -0.19 0.05 -1.65 0.02 -0.29 0.07 1.78 0.03 -0.29 0.09 1.81 0.03 -0.39 0.11 0.63 0.04 -0.29 0.14 0.73 0.05 -0.58 0.16 0.52 0.06 -0.29 0.18 0.59 0.06 -1.16 0.21 0.64 0.07 -0.58 0.23 0.84 0.08 -0.29 0.25 0.90 0.08 ∞ 0.28 0.93 0.10 -1.74 0.30 0.63 0.11 ∞ Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 se debe recuperar más rápido que la velocidad del flujo para el caso de Hattori y Nagano por lo tanto y como se puede observar en la tabla V, los valores negativos para la inclinación del perfil actual son menores en comparación con los valores negativos de Hattori y Nagano, de hecho en el trabajo actual sólo dos posiciones presentan valores negativos. Posterior a estos dos valores, la inclinación del perfil tiene valores positivos, lo cual significa que el flujo cambió de dirección, es decir, continúa su camino hacia el escalón; en otras palabras, para el caso actual, el flujo que se separa de la pared como resultado de la zona de recirculación se readhiere más rápido que para el caso de Hattori y Nagano, es decir el gradiente de presión del trabajo actual (Δp/Δx) es mayor que para el trabajo de Hattori y Nagano en esta posición. Los perfiles más cercanos al escalón son mostrados por la figura 9; en esta posición, la zona de recirculación o vórtice está completamente definida. Dos factores influyen en la tendencia del perfil para esta zona: 1) la zona de recirculación o vórtice, 2) la cara del escalón, el vórtice es el responsable de la zona de velocidad negativa que se observa en la parte izquierda de la gráfica (y≤0), el escalón provoca la tendencia observada en el perfil para la parte derecha de la gráfica (y>0). En ésta se observa que conforme el flujo se aleja de la pared inferior del canal y la cara del escalón, éste se acelera, lo cual se ve reflejado en la inclinación que presenta el perfil, ya que para la zona 0.07≤ y ≤0.76 se observa que para el presente trabajo, el valor de la inclinación (tabla VI) es grande en comparación con los valores para los otros trabajos, para la zona y ≥0.78 se observa que los valores de la inclinación disminuyen y son inclusive menores que la inclinación para los otros Fig. 9. Perfiles de velocidad para la posición x/h=0.3. 27 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. Tabla VI. Inclinación del perfil para x/h = 0.3. ACTUAL ADDAD ET LECLERQ ET CAMUSSI ET AL.14 AL.17 AL.16 y/h (∆u/∆y) y/h (∆u/∆y) y/h (∆u/∆y) y/h (∆u/∆y) -1 -1 -1 -1 0.02 -0.73 0.02 0.67 0.03 0.75 0.01 0.05 -0.49 0.03 0.80 0.05 0.57 0.09 0.07 4.68 0.05 0.00 0.06 0.50 0.20 0.09 2.04 0.05 0.50 0.07 0.86 0.28 0.11 1.29 0.05 0.75 0.09 0.57 0.37 0.14 1.60 0.07 0.33 0.10 0.67 0.47 0.16 0.95 0.08 1.00 0.12 0.67 0.58 0.18 0.81 0.09 0.40 0.13 0.67 0.66 0.21 1.07 0.10 1.00 0.14 0.57 0.76 0.23 1.16 0.11 0.67 0.16 0.67 0.85 0.25 1.59 0.12 0.33 0.17 0.57 0.94 0.28 1.19 0.13 2.00 0.18 1.60 0.30 1.85 0.15 0.00 0.21 0.80 0.32 1.59 0.15 0.92 0.22 1.50 0.35 1.44 0.19 1.00 0.24 2.00 0.37 2.02 0.21 1.50 0.26 0.80 0.39 3.65 0.25 0.41 4.27 0.28 0.44 0.46 1.67 0.28 0.31 1.33 2.10 0.31 2.67 0.34 2.29 2.18 0.34 1.67 0.44 2.00 0.48 1.50 0.37 2.33 0.47 1.60 0.51 1.67 0.41 1.33 0.49 1.33 0.53 1.58 0.44 2.00 0.52 1.43 0.55 4.45 0.46 1.14 0.55 2.00 0.58 3.94 0.49 1.14 0.58 1.60 0.60 1.27 0.52 1.33 0.65 1.50 0.62 1.86 0.54 1.00 0.67 1.00 0.65 4.54 0.56 1.00 0.70 1.84 0.67 1.64 0.59 1.00 0.85 0.80 0.69 0.90 0.62 1.14 0.86 2.00 0.71 2.60 0.65 1.00 0.88 1.20 0.74 0.75 0.67 1.00 0.90 0.98 0.76 1.21 0.70 1.20 0.78 0.98 0.72 1.11 0.81 0.85 0.75 0.75 0.83 0.68 0.77 0.89 0.85 0.60 0.79 1.00 0.88 0.66 0.83 1.00 0.90 0.52 0.85 0.86 0.92 0.62 0.87 1.14 28 1.67 1.43 trabajos, esto se explica de la siguiente forma: en la zona y ≤0.76 el flujo se encuentra en la zona de recirculación, por lo tanto el gradiente de velocidad tiene una magnitud baja, para la zona y ≥0.78 el gradiente de velocidad se incrementa como resultado de la contracción provocada por el escalón, en esta zona el flujo entra a una zona de contracción (vena contracta), en la cual el flujo se acelera provocando la tendencia del perfil observada en la gráfica, la magnitud de la inclinación del perfil para el trabajo actual resulta ser menor por que la relación de contracción utilizada en éste trabajo, es mucho menor en comparación con las relaciones de contracción utilizadas por los trabajos de las referencias13,14,15,16,17 tal y como se muestra en la tabla I. CONCLUSIONES El comportamiento del flujo de un escalón al frente depende fuertemente del número de Reynolds y de las relaciones de contracción y de aspecto. De forma particular en este trabajo se investigó el efecto que el uso de una sección transversal muy pequeña tiene sobre el flujo, se encontró que la inclinación del perfil se ve afectada por esta sección transversal, valores menores de inclinación para el perfil actual se encontraron en comparación con inclinaciones para trabajos con números de Reynolds mayores, lo que significa que las dimensiones de la sección transversal tienen una influencia predominante en la inclinación que el perfil pueda presentar, sin embargo se observa que la tendencia del perfil es exactamente la misma que para los casos de estudio con los que se comparó. REFERENCIAS 1. 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Salazar-RodríguezB, Leonardo Chávez-GuerreroA, René Fabián Cienfuegos PelaesA, Moisés Hinojosa RiveraA Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL leonardo.chavezgr@uanl.edu.mx B Facultad de Ciencias Químicas, UANL A RESUMEN Las estructuras tipo perovskita son materiales comúnmente usados como cátodos de celdas de combustibles de óxido sólido. En el presente trabajo, las perovskitas han sido sintetizadas mediante ruta Sol-Gel usando sales metálicas y agentes complejantes. Los polvos obtenidos fueron calcinados a 1000 °C durante 5h para lograr una estructura cristalina. Análisis térmicos y de rayos X han mostrado la existencia de la fase de LaNixCo1-xO3. Las imágenes de MEB dieron evidencia de los cambios en la microestructura debido a la cantidad de cobalto. Con estos resultados, se demostró la confiabilidad de producir una familia de compuestos (LaNixCo1-xO3) importantes para el desarrollo de celdas de combustible. PALABRAS CLAVE Cátodo, puntos de contacto triple, microestructura, Sol-Gel modificado. ABSTRACT Perovskite structures are materials used as cathodes in solid oxide fuel cells applications. In the present work, the perovskites were synthesized through a Sol-Gel route using metal salts and complexing agents. The obtained powders were calcined at 1000 °C for 5h to achieve a crystalline structure. The TGA and XRD have shown the existence of the LaNixCo1-xO3 phase. The SEM images evidenced the changes of the microstructure due to the amount of cobalt. With these results, it was demonstrated the reliability of producing a family of important compounds (LaNixCo1-xO3) for the development of fuel cells. KEYWORDS Cathode, triple-phase boundary, microstructure, modified Sol-Gel. INTRODUCCIÓN Las Celdas de Combustible de Óxido Sólido ó “SOFC”, por sus siglas en inglés (Solid Oxide Fuel Cell), tienen el potencial de convertirse en una tecnología para generar energía rentable en un futuro próximo. Los materiales para SOFC están constituidos por cinco componentes clave que son: el ánodo, electrólito, 30 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Síntesis y caracterización de LaNixCo1-x03 (x=0.3, 0.5, 0.7): Posibles aplicaciones en ... / María Elizabeth Flores Guerrero, et al. cátodo, las interconexiones y los sellos.1-2 Por lo tanto, es necesario conocer la función y los requisitos necesarios para las aplicaciones específicas en SOFC; por ejemplo, la reducción electroquímica del oxígeno tiene lugar en el cátodo.3 Con el fin de optimizar esta reacción, el cátodo debe tener una alta conductividad electrónica, un coeficiente de expansión térmico compatible con otros componentes de la celda y compatibilidad química con el electrólito, porosidad apropiada para permitir la difusión de oxígeno gaseoso a través de la interfaz cátodo/electrólito, una estructura estable durante la manipulación y funcionamiento bajo una atmósfera oxidante y una elevada actividad catalítica.3-4 Uno de los materiales más comunes para altas temperaturas (800-1000 °C) es una mezcla del compuesto basado en manganita La 1-x Sr x MnO 3 ±δ (LSM) y óxido de circonio estabilizado con itrio (YSZ).5 Estos materiales han sido reconocidos como buenos conductores iónicos cuando se aplican en las celdas de combustible. El diseño microestructural es muy importante en el rendimiento del cátodo; por lo tanto, el objetivo principal cuando el material se sintetiza es reducir al mínimo las pérdidas óhmicas mediante el aumento de los puntos de contacto triple (cátodo, electrólito, y oxígeno). En general, es preferible que la celda (SOFC) funcione a una temperatura intermedia (600700 °C), lo que sólo es posible cuando se alcanza la suficiente conductividad iónica en el electrólito.6 Al disminuir la temperatura de trabajo de las celdas y probar diferentes materiales, las aplicaciones más prácticas pueden implementarse con éxito debido a la reducción de los costos y el aumento de vida útil de los materiales sin degradación o reacción en la interfaz cátodo/electrólito.4-7 Existen varios métodos para preparar perovskitas; por la vía de estado sólido, tal como el molino de bolas,8 calcinar polvos,9 o por vía húmeda, tales como: congelación,10 secado por pulverización,6 surfactantes,6 Pechini,11 sol-gel,12,13 co-precipitación10 y sales fundidas de nitrato.14 La red de la perovskita puede tolerar una sustitución múltiple de cationes con pequeños cambios en la estructura, logrando propiedades que pueden ser explotadas para obtener el material deseado consiguiendo una estructura estable. La ruta Sol-Gel posee ciertas ventajas, entre las cuales se encuentran: la homogeneidad, el control de la morfología y la posible obtención de partículas submicrométricas. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Además, puede lograrse una composición específica debido a que la mezcla se produce en la escala atómica. El compuesto LaNi x Co 1-x O 3 ha sido estudiado ampliamente después del primer reporte que data de hace 40 años, principalmente por sus propiedades electrónicas, magnéticas15 y su uso como material de interconexión.16 En efecto, al dopar con cobalto la perovskita tipo LaNiO3 (que tiene una alta conductividad electrónica a temperatura ambiente), es posible mejorar su rendimiento a pesar de ser inestable por encima de 850 °C. Posteriormente Chiba et al.,9 en una serie de experimentos con LaNiMO3 [M=Al,Fe,Ga,Cr,Mn,Co], encontró que el cobalto permite la mayor conductividad a 812 ˚C,9 seguido por el hierro, mientras que el resto de los elementos arrojaron valores de conductividad de hasta dos órdenes de magnitud inferiores. El objetivo del presente trabajo de investigación fue evaluar al LaNixCo1-xO3 (x=0.3, 0.5, 0.7) sintetizado por la ruta del Sol-Gel modificado como un material para cátodo de SOFCs trabajando a una temperatura intermedia. Además se analiza la influencia de la cantidad de cobalto en la estructura del material producido. EXPERIMENTAL Se prepararon tres composiciones de LaNixCo1-xO3 mediante ruta Sol-Gel, donde los valores de x fueron 0.3, 0.5 y 0.7 siguiendo un procedimiento experimental semejante al reportado por Pechini.11 Se utilizaron materiales de grado reactivo de los nitratos La(NO3)3•6H2O, Ni(NO3)3•6H2O y Co(NO3)3•6H2O que fueron mezclados y disueltos en agua desionizada. Se mezclaron agentes quelantes y poliméricos tales como el hexametilentetramina (HMTA), acetil acetona (Acac) y ácido acético con una relación molar apropiada con los cationes para obtener la solución. La relación de HMTA a iones metálicos fue de 3:1, mientras que la relación utilizada de HMTA/Acac fue de 1:1. La solución resultante se sometió a un calentamiento de 65 °C durante 10 minutos con agitación magnética constante.13 Posteriormente, la mezcla formada fue tratada a una temperatura de 300 °C por espacio de 1 hora. Como resultado, se obtuvieron precursores de polvos amorfos que, enseguida, fueron calcinados a 1000 °C por 5 horas a una velocidad de calentamiento de 5 °C/min. Las muestras fueron etiquetadas como LNC37 para LaNi0.3Co0.7O3, LNC55 para LaNi0.5Co0.5O3 31 �Síntesis y caracterización de LaNixCo1-x03 (x=0.3, 0.5, 0.7): Posibles aplicaciones en ... / María Elizabeth Flores Guerrero, et al. y LNC73 para LaNi0.7Co0.3O3. Para determinar la estructura cristalina de las muestras obtenidas, se utilizó difracción de rayos X de alta temperatura (HTXRD) mediante la exploración del intervalo de 10 a 90°. Además, se usó un difractómetro PANalytical X’Pert PRO de polvos con una configuración de 2Ɵ (radiación Cu Kα, λ=0.15406 nm, incremento de 0.02° y tiempo de adquisición de = 2.0 s). Todos los datos obtenidos fueron analizados utilizando la base de datos del equipo. Las imágenes de MEB (microscopio electrónico de barrido) de las muestras fueron realizadas usando el microscopio electrónico de barrido SEM-FEG con EDX modelo LEICA S440. El análisis termogravimétrico de los polvos amorfos se llevó a cabo a temperaturas de 25 a 1000 °C. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las curvas termogravimétricas son presentadas en la figura 1. En ellas se muestra una pérdida de masa inicial de aproximadamente 7% en el intervalo de temperatura de 20 a 100 °C, atribuida a la pérdida de agua. Una segunda pérdida de peso de 72% se observa en el intervalo de 300 a 400 °C debido a la descomposición del material residual de síntesis para producir el óxido de perovskita. En el caso de LNC37 la pérdida de masa es de sólo 50% lo que puede atribuirse al método de síntesis debido a que se necesita menos material, incluso para una reacción similar, ya que las cantidades están basadas en la proporción de Ni. Por ejemplo, la cantidad total de nitratos necesaria para la síntesis de LNC37 es 36.19 g, mientras que para LNC55 sólo se requieren 21.71 g. Fig. 1. Análisis TG que muestra los cambios hasta la cristalización a 1000°C. 32 La estructura polimérica se descompone por encima de 400 °C y conduce a la formación de polvo amorfo, es decir una reacción exotérmica de combustión. El producto remanente se calienta a 1000 °C para obtener finalmente una fase cristalina. En la figura 2 se muestra el difractograma de rayos X (HT-XRD) donde se encuentra la cristalización completa seguida del material amorfo. La información mostrada en la gráfica indica que a 400 °C es el punto de partida para la cristalización. Los picos correspondientes al platino se deben al material que compone los contenedores del polvo durante el ensayo. Todos los picos coinciden con la estructura cristalina de la perovskita, demostrando que se obtiene un compuesto puro. El LNC73 es representado en la figura 2(c), donde se muestra la inestabilidad (picos amplios) en las primeras etapas de calentamiento en el intervalo de 350 a 450 °C, sin embargo al final se alcanza la cristalización completa. Las pruebas preliminares de estabilidad se llevaron a cabo mezclando los materiales (LCN) Fig. 2. XRD de alta temperatura, muestra los perfiles de cristalización de la perovskita (*) en (a) LNC37, (b) LNC55 y (c) LNC73. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Síntesis y caracterización de LaNixCo1-x03 (x=0.3, 0.5, 0.7): Posibles aplicaciones en ... / María Elizabeth Flores Guerrero, et al. con la YSZ. Posteriormente se calentó la muestra hasta la temperatura de 1000 °C durante 5 h. En el difractograma de rayos X no se percibieron picos de impureza, lo que sugiere, que no hay una reacción aparente en la interfaz y demuestra que estos materiales producidos tienen potencial para ser usados como cátodo en SOFC. La estabilidad a largo plazo puede alcanzarse incluso en el caso de que ocurra la reacción entre cátodo/YSZ, ya que existen otras alternativas de electrolitos como óxido de circonio dopado con óxido de cerio, gadolinio, samario, itrio y calcio, con lo que se pueden obtener mejores resultados.17 Por supuesto, se necesitan más estudios para concluir la viabilidad de estos nuevos materiales. Un hecho importante es que la fase perovskita no existe al comenzar el calentamiento (por debajo de 400 °C) y los cristales se forman in situ cuando la temperatura de los polvos supera los 400 °C como anteriormente se mostró en la figura 2. En todos los casos, puede identificarse un pico bien definido en el difractograma a 600 °C, temperatura a la cual la estructura se vuelve más cristalina, para finalmente obtener la fase completa a 1000 °C. Una ventaja de este método es el tiempo necesario para alcanzar la cristalización, pues se necesitan sólo cinco horas para convertir el polvo amorfo en un material cristalino completo, mientras que otros métodos requieren una cantidad excesiva de tiempo a una temperatura elevada para obtener la fase en un estado puro. En general, el método de estado sólido consiste en mezclar los polvos de óxidos en el molino de bolas y sinterizar, para finalmente calcinar a una temperatura tan alta como 1450ºC. Posteriormente, debe añadirse un tiempo de manipulación adicional al necesario para alcanzar una temperatura elevada y conseguir la fase final. Por otro lado, mediante SolGel, el material puede ser obtenido poco después de la mezcla de las soluciones como se observó con la prueba de XRD de alta temperatura, esto se muestra en la figura 2. Los resultados de rayos X concuerdan plenamente con los resultados previos de TGA, donde la pérdida de peso puede ser detectada paso por paso. Aunque la figura 2 (b) y (c) muestran inestabilidades debido a la pérdida de peso masiva (80%), la figura 2 (a) presenta un aspecto plano con una reacción Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 más controlada y con un punto de cristalización de partida bien definido. Por lo tanto, se puede inferir que el método puede haber influido en la estructura y propiedades como se informó en trabajos anteriores.4 En resumen, es bien sabido que el rendimiento del cátodo depende de sus propiedades microestructurales y morfológicas, por lo cual, dichas características deben ser bien controladas y comprendidas. En las figuras 3 (a-c) se muestra una mezcla de YSZ y los materiales de cátodo, mientras que las perovskitas puras aparecen en la figuras 3 (d-f). La figura 3 (a-c) muestra pequeñas partículas de YSZ de aproximadamente 150 nm de diámetro, así como los granos más grandes de material catódico. En la figura 3(d), correspondiente a LNC37 se observan partículas de entre 170 y 600 nm con forma semiesférica. En la figura 3 (e) pueden verse formas redondas alargadas de LNC55, las partículas son cada vez más grandes y la interacción entre ellas produce una estructura más compacta. En la figura 3 (f), LNC73, se observa una estructura con caras planas; como la composición se aproxima a la estructura de la LaNiO3, los granos se hacen más compactos generando una estructura con menos espacio libre disponible (sólido). Con todas estas micrografías, es posible concluir que el aumento de la cantidad de cobalto promueve la porosidad y la formación de estructuras de forma redonda, lo que podría ser favorable para el libre acceso al flujo de aire que pasa a través del material. Teniendo en cuenta las tres muestras, se puede observar en las figuras 3 (a-c) que la cantidad de YSZ interactuando con el cátodo es mayor cuando aumenta la cantidad de cobalto (LNC37) porque las partículas de YSZ pueden pasar fácilmente a través de los canales, lo cual es ampliamente recomendado en la producción de buenos materiales para cátodo. CONCLUSIONES Se sintetizó un material catódico con posible aplicación en SOFC, con diferentes composiciones de LaNixCo1-xO3 (x= 0.3, 0.5, 0.7) sin contaminación de fase. La cristalización del material comienza a 400 ˚C de acuerdo a los datos de difracción de rayos X de alta temperatura, los cuales también confirman la presencia de compuestos puros. Se analizó la 33 �Síntesis y caracterización de LaNixCo1-x03 (x=0.3, 0.5, 0.7): Posibles aplicaciones en ... / María Elizabeth Flores Guerrero, et al. Fig. 3. Micrografías que muestran la mezcla de YSZ/LaNixCo1-xO3, donde x = 0.3, 0.5, 0.7 en (a), (b) y (c) respectivamente y solamente el material de cátodo en (d), (e) y (f) respectivamente. influencia de la composición de la estructura, encontrando que LNC37 tiene una estructura abierta con granos redondeados y con probabilidad de que tenga un mejor rendimiento si se utiliza como un cátodo para SOFC. Por otra parte, el LNC73 tiene una estructura más sinterizada con poros menos 34 abiertos y granos que muestran caras planas. El LNC55 tiene una estructura intermedia que muestra la posibilidad de controlar la microestructura a través de la composición del material, abriendo la posibilidad de diseñar un material con las propiedades deseadas. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Síntesis y caracterización de LaNixCo1-x03 (x=0.3, 0.5, 0.7): Posibles aplicaciones en ... / María Elizabeth Flores Guerrero, et al. REFERENCIAS 1. Keegan C. Wincewicz, Joyce S. Cooper., Taxonomies of SOFC material and manufacturing alternatives. J. Power Sources 140, 280-296 (2005). 2. Zongping Shao, Wei Zhou, Zhonghua Zhu., Advanced synthesis of materials for intermediatetemperature solid oxide fuel cells. Prog. Mater Sci 57, 804-874 (2012). 3. San Ping Jiang., Nanoscale and nano-structured electrodes of solid oxide fuel cells by infiltration: Advances and challenges. Int. J. 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Jintawat Chaichanawong, Kazuyoshi Sato, Hiroya Abe, Kenji Murata, Takehisa Fukui, Tawatchai Charinpanitkul, Wiwut Tanthapanichakoon And Makio Naito., Formation of strontiumdoped lanthanum manganite (La0.8Sr0.2MnO3) by mechanical milling without media balls. Advanced Powder Technol 17 613–622 (2006). Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 9. Reiichi Chiba, Fumikatsu Yoshimura, Yoji Sakurai., An investigation of LaNi1-xFexO3 as a cathode material for solid oxide fuel cells. Solid State Ionics 124, 281-288 (1999). 10. A. Tarancón, G. Dezanneau, J. Arbiol, F. Peiró, J.R. Morante., Synthesis of nanocrystalline materials for SOFC applications by acrylamide polymerization. J. Power Sources 118, 256-264 (2003). 11. Pechini M. Method of preparing lead and alkaline earth titanates and niobates and coating method using the same to form a capacitor, in US Patent; 1967. 12. 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Per Hjalmarsson, Mogens Mogensen., La0.99Co0.4Ni0.6O3−δ–Ce0.8Gd0.2O1.95 as composite cathode for solid oxide fuel cells. J. of Power Sources 196, 7237-7244 (2011). 35 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones Iván L. Samperio-GómezA, Claudia A. Cortés-EscobedoB, Félix Sánchez-De JesúsA, Ana María Bolarín-MiróA, Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo fsanchez@uaeh.edu.mx, anabolarin@msn.com B Centro de Investigación e Innovación Tecnológica del IPN A RESUMEN El yeso es un material en la industria de la construcción y se utiliza de manera muy especial para la producción de moldes en el vaciado de suspensiones. En este trabajo se estudiaron diferentes mezclas yeso-cemento (blanco y gris), modificando sus proporciones en peso (70:30, 60:40 y 50:50) y su relación con diferentes porcentajes de agua:mezcla (40:60 y 50:50) para relacionarlo con sus propiedades: tiempo de fraguado, porosidad, densidad, absorción y morfología. Los resultados muestran cuantitativamente el efecto de los parámetros de procesamiento sobre las propiedades del molde de yeso o yesocemento, permitiendo establecer las condiciones de proceso adecuadas para cada aplicación. PALABRAS CLAVE Yeso, absorción, vaciado de suspensiones, tiempo de fraguado. ABSTRACT Plaster is a material with several applications, mostly in construction industry and especialy in the production of mold for slip casting. Different mixtures of plaster-cement (white and gray) were studied in this work, by means of determination of the following properties: curing time, porosity, density, absorption and morphology; with modifications in weight ratio between each component (70:30, 60:40 y 50:50) and water content (40:60 y 50:50, water: powder mixture). Results show quantitative effect of processing parameter on the final properties of the plaster or plaster/cement mold, allowing establish adequate process conditions to each application. KEYWORDS Plaster, absorption, slip casting, cure time. INTRODUCCIÓN Los moldes de yeso se han usado desde la antigüedad para conformar piezas cerámicas. Esa aplicación es todavía actual por el gran volumen de piezas que se obtienen mediante el método de vaciado de suspensiones, debido a que es un proceso sencillo, económico y flexible, en comparación con otros procesos 36 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones / Iván L. Samperio Gómez, et al. como el prensado isostático o la extrusión para la producción de piezas cerámicas.1-5 El vaciado de suspensiones consiste en vaciar una suspensión de partículas cerámicas en agua en el interior de un molde de yeso, que servirá de soporte mientras se desarrolla la operación de drenado al absorber el molde el agua contenida en la suspensión cerámica hasta alcanzar una consistencia suave pero firme. Una vez que se absorbe el agua de la suspensión en el yeso, la pieza conformada (en verde) se separa y se somete a un proceso de sinterización.6-9 Un yeso cerámico es al que le han sido ajustadas sus propiedades para controlar la absorción de agua, lo que está relacionado con la porosidad del molde y esto a su vez está relacionado con el tiempo de fraguado y con la relación agua/polvo (A/P) en la suspensión, lo que permite preparar pastas que satisfagan las necesidades propias de un proceso particular de vaciado.10-11 El yeso cocido es un conglomerante no estable en presencia de humedad, constituido por sulfato de calcio con media molécula de agua (CaSO4• ½ H2O) cuando provienen de cocción a temperaturas superiores a 170ºC, como es el empleado en este trabajo.9 Para ser empleado como molde, el yeso debe fraguar o cristalizar. La reacción química que tiene lugar en el fraguado se muestra a continuación (ecuación 1): 2 CaSO4•½ H2O+3 H2O→2 CaSO4•2 H2O (1) Para obtener yeso fraguado, es necesario mezclar polvo de yeso cocido (CaSO 4∙½H 2O, hemihidratado) con agua. En el momento de la mezcla se forma, alrededor de las partículas de yeso, una solución saturada respecto al hemihidratado y fuertemente sobresaturada respecto al dihidratado (CaSO4∙2H2O), formado por hidratación, estable y de menor solubilidad.9 Así comienza la cristalización del yeso, bien espontáneamente o a partir de núcleos de dihidrato que han permanecido sin modificar durante el proceso de cocción. Se disuelven entonces nuevas cantidades del hemihidrato continuando este proceso hasta su hidratación y cristalización total en forma de dihidrato.9 La mezcla tiene consistencia semifluida y puede ser vaciada en un molde de cualquier forma, conforme la reacción avanza, más cristales de hemihidrato reaccionan para formar cristales de dihidrato, la viscosidad de la masa empieza a aumentar rápidamente hasta el punto Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 que la mezcla ya no puede fluir en la impresión. En este punto el material ha alcanzado el tiempo inicial de fraguado y ya no debe manipularse. La reacción química termina cuando el yeso puede ser separado de la impresión sin distorsionarse o fracturarse, considerando éste como el tiempo de fraguado. Cuanto mayor sea la proporción A/P, mayor será el tiempo de fraguado y menor resistencia mecánica tendrá el producto de yeso.12-15 El tiempo de fraguado, es el tiempo que transcurre desde la adición del polvo al agua hasta que solidifica la pieza. El cemento es una mezcla de diversos componentes y en función de dicha composición se obtienen diferentes tipos, por ejemplo, el cemento Portland (gris) contiene mayor proporción de silicato dicálcico (2CaO∙SiO2) y silicato tricálcico (3CaO∙SiO2) y en menor proporción aluminato tricálcico (3CaO∙Al2O3), brownmillerita (aprox. 4CaO∙Al2O3, Fe2O3), CaO, MgO, y SiO2, mientras que el cemento aluminoso (blanco) contiene mucho más cantidad de alúmina, aproximadamente en una proporción 40Al2O3, 40CaO, 7SiO2, 7Fe2O3, 5FeO y 5 óxidos más,16 lo cual se debe asociar al contenido de óxidos de hierros y de manganeso.17 Se fabrica conforme a las especificaciones de la norma ASTM C150.18 Este trabajo tiene como objetivo estudiar el efecto de diferentes mezclas yeso-cemento (blanco y gris), modificando sus proporciones en peso (70:30, 60:40 y 50:50) y su relación con diferentes porcentajes de agua:mezcla (40:60 y 50:50) sobre algunas de sus propiedades: tiempo de fraguado, porosidad, densidad, absorción y morfología, las cuales afectan el proceso de vaciado de suspensiones. DESARROLLO EXPERIMENTAL 30 g de cada una de las mezclas mostradas en la tabla I se emplearon para obtener probetas de yeso. En un recipiente con agua se espolvoreó la mezcla de polvos y se dejó en reposo por 1 min, posteriormente se agitó la mezcla durante 1 min y se vertió en los moldes de madera. Éstos se dejaron secar a temperatura ambiente por 24 hrs, posteriormente se secaron a una temperatura de 50 °C por una hora hasta peso constante. El volumen del molde fue de 14 cm3. 37 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones / Iván L. Samperio Gómez, et al. A las probetas una vez fraguadas y completamente secas (tratadas durante 1 h a 50 ºC y posterior enfriamiento hasta 25 ºC) se les realizó el análisis de absorción de agua, el cual consiste en pesar la probeta en seco y sumergirla durante 2 seg en agua desionizada y posteriormente determinar su peso en húmedo hasta que éste ya no aumente. Se determinó el tiempo de fraguado de cada una de las mezclas estudiadas (tabla I) por medio del método Vicat.19 Paralelamente, se determinó la densidad mediante el método de Arquímedes.20 Por último, se observó la morfología de las probetas obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido, usando un JEOL 1300 a 20 kV, la observación se realizó sobre un corte transversal de la probeta con el fin de observar el tipo de partículas obtenidas después del fraguado. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En las figuras 1a-c se muestran los resultados obtenidos de absorción de agua de cada una de las probetas preparadas según la composición mostrada en la tabla I, expresando dicha absorción como el porcentaje en volumen de agua absorbida respecto al volumen del molde, para cada una de las composiciones estudiadas. El comportamiento general que presentan todas las composiciones es similar, mostrando dos etapas: la primera, Tabla I. Probetas de yeso, yeso-cemento blanco y yesocemento gris. Rerefencia Relación en masa agua: polvos Relación en masa yeso: cemento YA4 40:60 100:0 50:50 100:0 Yeso YA5 Cemento Blanco YB7A4 40:60 70:30 YB7A5 50:50 70:30 YB5A4 40:60 50:50 YB5A5 50:50 50:50 Cemento Gris 38 YG7A4 40:60 70:30 YG7A5 50:50 70:30 YG5A4 40:60 50:50 YG5A5 50:50 50:50 Fig. 1. Absorción de agua de las probetas con diferentes relaciones polvo:agua y composiciones: (a) yeso, (b) yeso-cemento blanco y (c) yeso-cemento gris. correspondiente a un incremento muy rápido de la absorción de agua durante los primeros segundos de inmersión y posteriormente una segunda etapa, donde la absorción se estabiliza por debajo de un valor asintótico, que corresponde a la máxima capacidad de absorción de cada una de las mezclas estudiadas. Se presentan los resultados de rapidez de Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones / Iván L. Samperio Gómez, et al. absorción en la primera etapa así como la máxima capacidad de absorción expresada en porcentaje en volumen de agua absorbida respecto al volumen total del molde obtenido, en la tabla II. Es importante destacar la relevancia de la rapidez con la que comienzan a absorber agua cada una de las probetas, ya que esta primera etapa de absorción es crucial para la textura de los cerámicos finales a obtener. Lo anterior debido a que si la absorción en la primera etapa es muy rápida, en la superficie del cerámico final habrá una mezcla de tamaños de partícula, ya que no hay tiempo de una reordenación de las partículas. Por otro lado, si la absorción en la primera etapa es lenta, las partículas menos cargadas en la suspensión, que generalmente son las más grandes, son las que podrían depositarse en una primera etapa, para formar parte de la superficie del cerámico final. Los resultados presentados en la tabla II, corresponden al análisis de absorción experimentales presentados en la figura 1. Permiten establecer que aquellas probetas preparadas con una relación de polvo:agua de 50:50 fueron las que presentaron mayor absorción en todos los casos. Los rangos de absorción de todas las probetas se encuentran entre un valor mínimo de 35% vol. para la composición YA4 y un máximo de 55% vol. para la composición YB7A5, respectivamente. Paralelamente, se observó que para una relación de yeso:cemento (tanto blanco como gris) 50:50 con una relación de polvo:agua de 50:50 (YB5A5 y YG5A5) las probetas requirieron mucho tiempo de secado; aunado a lo anterior, presentaron una estructura débil y su conformado no fue suficiente como para resistir el proceso de desmoldado, razón por la que no se llevaron a cabo las pruebas de absorción. Adicionalmente, en los resultados de absorción mostrados en la tabla II, se puede observar como las probetas YB7A4 e YB5A4 son las que absorben a menor velocidad, durante la primera etapa, pero continúan absorbiendo en la segunda etapa, tardando más tiempo en alcanzar su valor asintótico o capacidad máxima de absorción. Por otro lado, la probeta YA4 absorbe más en la primera etapa, pero luego absorbe mucho menos, debido a que se satura rápidamente. Para complementar el estudio de absorción, se presenta en la figura 2 la comparación de las probetas que presentaron mejor absorción en los sistemas de yeso y yeso con cemento blanco o gris, donde se observa que las probetas que están compuestas únicamente por yeso presentan una menor absorción a cualquier tiempo mientras que las de yeso-cemento gris presentan una mayor absorción. Los resultados presentados en la tabla II, confirman esta aseveración. Los resultados de tiempo de fraguado inicial y final de cada una de las composiciones se presentan en la tabla III. Adicionalmente, en esta tabla se presenta la densidad de las probetas preparadas. De acuerdo a los resultados presentados en la tabla, los moldes que fraguan más rápido presentan una menor densidad, por lo cual absorben más agua a comparación de los otros que al requerir más tiempo de fraguado hacen que se aglomeren mejor las partículas. Los resultados obtenidos confirman los resultados anteriores, para una relación de yeso: Tabla II. Datos de absorción para cada muestra. Referencia Rapidez de absorción (% vol./s) Máxima absorción VH2O (cm3) % Absorción max. VH2O/Vmolde (adim) YA4 6.79 5±0.3 35±2 YA5 10.00 7±0.4 50±2.5 YB7A4 6.43 5.8±0.8 41±5.5 YB7A5 10.89 7.7±0.6 55±4 YB5A4 6.52 6±0.9 43±7 YG7A4 7.41 5.6±0.6 40±5 YG7A5 11.25 7.5±0.5 53±4 YG5A4 7.95 5.9±0.1 42±1 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Fig. 2. Absorción de agua de las probetas con diferentes composiciones: (a) yeso, (b) yeso-cemento blanco y (c) yeso-cemento gris. 39 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones / Iván L. Samperio Gómez, et al. cemento (tanto blanco como gris) de 50:50 con una relación de polvo:agua de 50:50 (YB5A5 y YG5A5) las probetas requirieron mucho tiempo de secado, presentaron una estructura débil y su conformado no fue suficiente como para resistir el proceso de desmolde, es por ello que no se reportan datos en la tabla III. Paralelamente, se puede observar que las piezas preparadas con una proporción de polvo:agua 60:40 (YA4, YB7A4, YB5A4, YG7A4 e YG5A4) presentan una mayor densidad en comparación con las preparadas con una proporción de polvo:agua 50:50 (YA5, YB7A5 e YG7A5). La menor densidad de las piezas finales fue obtenida con una mezcla de yeso con cemento gris en una proporción de 70:30 y con una relación de polvo:agua de 60:40. Esta probeta mostró una de las más bajas absorciones de agua, solamente mayor a la probeta preparada únicamente con yeso relación de polvo:agua de 60:40. Y la mayor densidad fue obtenida también con una mezcla de yeso:cemento gris en una proporción 50:50 y una relación polvo: agua de 60:40, con una absorción similar a la que mostró menor densidad en la pieza final. En la figura 3 se presenta la micrografía obtenida mediante microscopía electrónica de las probetas que sólo contienen yeso, en esta figura se observa una morfología acicular característica del yeso y la formación de cristales de tamaños de 5 a 10 micrómetros, pero además, particularmente, para la probeta con mayor cantidad de agua (YA5), se observa la formación de láminas de mayor tamaño, que pueden estar asociadas con prolongados tiempos de fraguado. Fig. 3. Micrografía de probetas fabricadas con yeso. Paralelamente, en la figura 4 se presentan las micrografías de las probetas obtenidas a partir de mezclas de yeso con cemento blanco, donde se observa que las probetas con menor contenido de yeso presentan menor formación de agujas (YB5A4) y además las que contienen mayor cantidad de agua presentan mayor cantidad de cristales de CaSO4 (YB7A5). Finalmente, en la figura 5 se presentan las micrografías de las probetas utilizando cemento gris. Tabla III. Tiempo de fraguado y densidades de las mezclas de yeso y yeso-cemento. Referencia YA4 YA5 YB7A4 YB7A5 YB5A4 YB5A5 YG7A4 YG7A5 YG5A4 YG5A5 40 Tiempo inicial (s) 450 600 270 360 210 390 480 630 390 660 Penetración inicial (s) 3 5 7 5 9 6 7 3 5 7 Tiempo final (s) 1140 2280 540 1320 900 -990 2130 840 -- Penetración final (s) 39.5 39.5 39.5 39.5 39.5 -39.5 39.5 39.5 39.5 Densidad (g/cm3) 1.0751 0.8397 1.2211 0.9160 1.1948 -1.2222 0.9015 1.2496 -- Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones / Ivan L. Samperio Gómez, et al. Fig. 5. Micrografía de las probetas fabricadas con yesocemento gris. Fig. 4. Micrografía de las probetas fabricadas con yesocemento blanco. En estas imágenes se observa una menor formación de agujas y la formación de cristales más gruesos y aglomerados. En general, la morfología de las probetas es un indicativo de los mecanismos de fraguado, es decir, una mayor cantidad de agua, permitirá un fraguado más lento y por lo tanto, la formación de cristales más grandes, mientras que un menor contenido de yeso, da lugar a la formación de aglomerados. Por otro lado, el mecanismo de fraguado tiene un efecto directo, tanto en la porosidad, como en sus propiedades mecánicas y de absorción de Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 agua. De tal forma que, de acuerdo con los resultados obtenidos, debe permitirse una cristalización rápida, para la formación de aglomerados, que permitan tener una alta porosidad, pero manteniendo estabilidad estructural mecánica macroscópica. CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados obtenidos, las probetas que presentan mayor absorción así como un tiempo de fraguado apropiado son aquellas obtenidas a partir de mezclas de yeso-cemento, con cualquier tipo de cemento, blanco o gris, donde el componente mayoritario es el cemento (70% en los polvos) y con un porcentaje de agua del 50% en la suspensión. 41 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones / Ivan L. Samperio Gómez, et al. En general, todas las probetas obtenidas a partir de esta relación de polvo:agua, mostraron una mayor absorción de agua. Por otro lado, las probetas con altos niveles de absorción, presentan una mayor cantidad de aglomerados, promovida por un fraguado rápido, con poca cantidad de yeso, da lugar a una mayor absorción. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue desarrollado con apoyo del proyecto CONACyT-México, fondo Ciencias Básica, clave No. 130413. REFERENCIAS 1. E. M. Múzquiz, J. G. Osuna, A. Solís y S. 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Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua Azael Martínez De la Cruz, Selene Sepúlveda Guzmán, Ulises Matías García Pérez FIME-UANL azael70@gmail.com RESUMEN En el presente estudio se describe la síntesis, caracterización y evaluación de la actividad catalítica de BiVO4 en procesos avanzados de oxidación de materia orgánica, así como el análisis de diversas variables experimentales que inciden en la velocidad de reacción y permiten elucidar el mecanismo de la misma. El BiVO4 fue sintetizado por co-precipitación, combustión y reacción hidrotermal en presencia de un agente estructurante. La actividad catalítica de las muestras fue evaluada en la fotodegradación de rodamina B, estableciéndose el efecto del pH, O2 disuelto y morfología de las muestras en la velocidad de reacción. PALABRAS CLAVE Oxidación, BiVO4, fotocatálisis, rodamina B. ABSTRACT This work describes the synthesis, characterization and evaluation of the photocatalytic properties of BiVO4 in advanced oxidation processes of organic mater. In the same way, an analysis of experimental variables that affect the rate of reaction was carried out in order to elucidate the reaction mechanism. BiVO4 was synthesized by co-precipitation, combustion and hydrothermal reaction in presence of a morphologic directing agent. The photocatalytic activity of the samples was tested in the photodegradation of rhodamine B. The effect of pH, O2 dissolved and morphology of the samples in the rate of reaction was established. KEYWORDS Oxidation, BiVO4, photocatalysis, rhodamine B. INTRODUCCIÓN El estudio de óxidos cerámicos semiconductores como catalizadores en reacciones de fotooxidación en solución, fase gaseosa o sólida ha sido objeto de gran interés en los últimos años. Se ha reportado en la literatura que diversos óxidos semiconductores presentan fotoactividad en una gran diversidad de reacciones útiles para la oxidación de diversos compuestos orgánicos presentes en aguas residuales,1 la disminución de contaminantes gaseosos responsables del efecto invernadero/purificación de aire2 y la reducción/oxidación de metales Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 43 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua / Azael Martínez De la Cruz, et al. pesados presentes en suelos y aguas contaminadas.3 Estas reacciones, clasificadas dentro de los procesos avanzados de oxidación (PAOs) ofrecen ventajas significativas frente a otras por su mayor factibilidad termodinámica y una velocidad de oxidación muy elevada por la participación de radicales libres, principalmente radicales hidroxilo (HO•). La búsqueda de nuevas tecnologías de oxidación que resulten eficientes y económicamente factibles a escalas industriales se ha centrado en el uso de la energía solar como fuente energética. Una de las aplicaciones que más interés ha despertado en las últimas décadas entre la comunidad científica internacional es la fotocatálisis heterogénea. El estudio de las variables que afectan una reacción fotocatalíticamente activada, así como la determinación de los mecanismos mediante los cuales opera, es fundamental para optimizar procesos de mineralización en la búsqueda de ahorro de energía, tiempo de tratamiento y disminución de costos de operación. Diversos trabajos han sido realizados con el fin de desarrollar fotocatalizadores con alta eficiencia en la región visible del espectro solar; como ejemplo basta mencionar a los óxidos In1-xNixTaO4, CaIn2O4, InVO4 y Bi2MoO6.4 En particular, la química de los vanadatos es muy rica y numerosas fases pueden ser formadas de acuerdo a su estequiometría con propiedades ópticas que les permiten absorber en la región visible del espectro solar. De entre estos óxidos, el vanadato de bismuto (BiVO4) es considerado un importante semiconductor por poseer propiedades de interés tecnológico tales como ferroelasticidad y conductividad iónica.5 Debido a su estabilidad, el BiVO4 ha sido empleado en un gran número de aplicaciones tecnológicas.6 La elección del semiconductor BiVO4 para la realización del presente estudio está basada en el atractivo que representa activar el material con la región visible del espectro solar. Se contempla en una primera parte del trabajo el estudio de la incidencia de variables como pH y O2 en el curso de la reacción fotocatalizada. Lo anterior permitirá establecer mecanismos o rutas de degradación de la materia orgánica que generará un conocimiento del sistema que a su vez permitirá establecer condiciones experimentales para optimizar el proceso. En segunda instancia, se observará el efecto de las 44 propiedades texturales de BiVO4 en su actividad catalítica durante la fotooxidación de un compuesto orgánico elegido como modelo. Como método de síntesis se han elegido la reacción por estado sólido (SSR), co-precipitación (Cop), hidrotermal (HT160-20, HT160-48) y combustión (BiVC-1. BiVC-3. BiVC-6, BiVC-9) en presencia de un agente estructurante. EXPERIMENTACIÓN La síntesis de BiVO4 por reacción en estado sólido fue realizada mediante el tratamiento térmico a 700ºC durante 66 h de una mezcla estequiométrica de Bi(NO3)3•5H2O y NH4VO3. La síntesis por coprecipitación se llevó a cabo mediante el mezclado de las siguientes soluciones: a) 1.4975 g de Bi(NO3)3•5H2O disueltos en 100 mL de HNO3 4 M a 70ºC. b) 0.3610 g de NH4VO3 disueltos en 100 mL de NH4OH 2 M a 70ºC. En una segunda síntesis, la co-precipitación se realizó en presencia del agente estructurante carboximetil celulosa (CMC). El procedimiento requirió de la preparación de tres disoluciones por separado: c) 0.01 moles de Bi(NO3)3•5H2O disueltos en 100 mL de HNO3 4 M a 70ºC. d) 0.01 moles de NH4VO3 disueltos en 100 mL de NH4OH 2 M a 70ºC. e) 1.00 g de CMC disuelto en 50 mL de agua destilada a 70ºC. La disolución e) fue agregada en la disolución d) y se mantuvo la disolución en agitación vigorosa durante 10 min. A continuación se agregó gota a gota la disolución c) en la disolución previamente formada entre d) y e) con agitación vigorosa. El pH de la suspensión fue ajustado a ~9.0. La fase fue obtenida por descomposición del precursor en aire. Se realizaron tratamientos térmicos a 200, 300 y 450ºC durante 24 h. La síntesis por combustión fue realizada mediante un procedimiento similar al descrito durante la síntesis del material por co-precipitación en presencia del aditivo orgánico. La diferencia esencial entre ambos métodos fue la eliminación del solvente por evaporación mediante un Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua / Azael Martínez De la Cruz, et al. tratamiento térmico moderado a 80 °C. Una vez eliminado el solvente a esta temperatura, la muestra fue espontáneamente combustionada en un proceso químico altamente exotérmico. Como producto de este proceso se obtuvo un sólido amarillo, mismo que fue utilizado como precursor de BiVO4 mediante tratamientos térmicos en aire a 200, 300 y 450ºC. El procedimiento para llevar a cabo la síntesis hidrotermal de BiVO4 en presencia de CMC parte de la preparación de tres disoluciones por separado: f) 0.03 moles de Bi(NO3)3•5H2O disueltos en 100 mL de HNO3 4 M a 70 °C. g) 0.03 moles de NH4VO3 disueltos en 100 mL de NH4OH 2 M a 70ºC. h) 1.18 g de CMC disueltos en 50 mL de agua destilada, disolución al 6 % p/p de CMC en agua destilada. De la disolución h) se adicionaron 25 mL en cada una de las disoluciones f) y g) preparadas manteniéndose las disoluciones en agitación vigorosa durante 1 h a temperatura ambiente obteniendo 2 disoluciones incoloras. A continuación se agregó gota a gota la disolución de Bi-CMC en la disolución de V-CMC con agitación vigorosa. Estas suspensiones fueron agitadas durante 1 h; posteriormente fueron transferidas dentro de un vaso de teflón de 600 mL. El vaso fue colocado en una autoclave y se realizaron calentamientos a diversas temperaturas e intervalos de tiempo a presión autógena bajo una agitación mecánica continua. La caracterización de las distintas muestras policristalinas de BiVO4 fue realizada por las técnicas de difracción de rayos-X, microscopía electrónica de barrido, fisisorción de N2 y espectroscopia de reflectancia difusa. Las pruebas fotocatalíticas fueron realizadas en un reactor de borosilicato. Como reacción modelo se eligió la degradación del colorante orgánico rodamina B (rhB). Se trabajó con un volumen inicial de 250 mL de una disolución de rhB con una concentración de 5 ppm en cada una de las pruebas de degradación de rhB. Como fuente de radiación se utilizó una lámpara de Xe de 6,000 K la cual tiene una potencia de salida de 35 W y una iluminancia de 1,630 lx. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las muestras obtenidas por los diferentes métodos de síntesis fueron caracterizadas estructuralmente mediante difracción de rayos-X en polvo. Los difractogramas obtenidos mostraron la presencia del polimorfo monoclínico de BiVO4 en forma pura de acuerdo al patrón de referencia (JCPDS 14-0688). Evaluación del efecto del pH y O2 disuelto en la actividad de BiVO4 en procesos de oxidación avanzada El pH de la dispersión y la cantidad de O2 disuelto fueron las variables experimentales elegidas para observar el comportamiento de la actividad catalítica de BiVO4 en el proceso de fotodegradación de rhB. La participación de protones (h+), iones hidroxilo (OH -) y O 2 en medio acuoso pueden incidir determinantemente en la velocidad de fotodegradación de materia orgánica debido a que son precursores de especies altamente reactivas como los radicales HO•, O2.-, etc. La incidencia de estas variables experimentales en el curso del proceso de fotodegradación del colorante se analizarán de manera representativa en la muestra sintetizada por coprecipitación. El análisis de las propiedades ópticas de los materiales reveló un valor de Eg de 2.31 eV para la muestra obtenida por reacción en estado sólido y de 2.27 eV para el material sintetizado por el método de coprecipitación. Para el BiVO4 sintetizado por reacción en estado sólido se obtuvo un área superficial BET de 0.27 m2g-1 y para el obtenido por co-precipitación de 1.46 m2g-1. La evaluación de la actividad catalítica de BiVO4 en la reacción de fotodegradación de rhB, bajo radiación de luz visible, a diferentes valores de pH de la dispersión se muestra en la figura 1. El porcentaje de fotodegradación de rhB con BiVO4 sintetizado por co-precipitación para un tiempo equivalente de 420 minutos a pH 4 fue del 54.0 %, mientras que a pH 5 del 59.0 %, a pH 6 del 68.0 %, a pH 8 del 74.6 % y a pH 10 del 99.5%. Se decidió evaluar el efecto del suministro de oxígeno al proceso de fotocatálisis ya que la presencia de éste puede resultar importante, porque actúa primariamente como una eficiente trampa para la captura de electrones (e-), conduciendo a la 45 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua / Azael Martínez De la Cruz, et al. Fig. 1. Cambio en la concentración de rhB durante el curso de su fotodegradación en presencia de BiVO4 a diferentes valores de pH. generación del radical superóxido (O2.-) y previniendo la recombinación del par hueco (h+)-electrón (e-). Para evaluar el efecto del O2 en el proceso de fotodegradación de rhB se llevaron a cabo experimentos a pH 10 dado a que a este valor de pH se obtuvieron los mejores resultados. En la figura 2a se muestra que la adición de O2 a la disolución acuosa de rhB bajo radiación de luz visible en ausencia del catalizador conduce a una degradación del colorante del 11.6 % después de 240 min de radiación. En la misma figura se muestra el efecto que tiene la presencia del O2 en la prueba de fotodegradación de rhB bajo radiación con luz visible en presencia del BiVO4 (figura 2b). El porcentaje de fotodegradación de rhB con BiVO4 a un pH de la dispersión de 10 y un flujo de O2 de 257 mL min-1 fue del 98.7 % después de 240 min de radiación, indicando que la presencia de O2 tiene un efecto positivo en la reacción de fotodegradación de rhB. Nótese como en este caso es posible alcanzar un porcentaje parecido de Fig. 2. Cambio en la concentración de rhB durante el curso de la radiación con luz visible. 46 fotodegradación del colorante 180 minutos antes de lo que se había hecho sin el flujo de O2. El efecto positivo del flujo de O2 en el proceso de degradación del colorante se debe a que el oxígeno actúa como una trampa de los electrones que se encuentran en la banda de conducción del material, lo cual permite que no se lleve a cabo la recombinación de las cargas, además de que contribuye a la formación de especies con un potencial de oxidación capaz de degradar al colorante en disolución. En base a los resultados experimentales obtenidos se puede concluir que el proceso de fotodegradación de la rhB en disolución acuosa ocurre mediante el proceso de fotosensitización del colorante por radiación de luz visible, aunque puede existir una pequeña contribución por fotocatálisis, misma que se ve notablemente incrementada cuando el pH de la solución del colorante es alcalino. El proceso de fotosensitización (véase figura 3) consiste en que una especie donadora de electrones como la rhB absorba el flujo de fotones incidente provocando que los electrones que se encuentran en el orbital pasen a un estado excitado *. Los electrones que pasan al estado excitado * son inmediatamente inyectados dentro de la banda de conducción del catalizador. Posteriormente esos electrones de la banda de conducción reaccionan con el O2 conduciendo a la formación del radical O2−•, con el cual se llevan a cabo una serie de reacciones que conducen a la formación del radical HO•, mediante el cual se lleva a cabo la degradación del colorante. Fig. 3. Mecanismo de fotosensitización de rhB en disolución acuosa con BiVO4 bajo radiación con luz visible. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua / Azael Martínez De la Cruz, et al. Fig. 4. Micrografías de SEM de BiVO4 obtenido mediante diferentes técnicas de síntesis. Evaluación del efecto del método de síntesis de BiVO4 en su actividad catalítica en procesos de oxidación avanzada El método mediante el cual se sintetiza el catalizador repercute en las propiedades morfológicas, superficiales y ópticas del material, lo que puede presentar un efecto importante al momento de su acción como catalizador. Por esta razón, se evaluará la influencia del método de síntesis en la actividad catalítica de BiVO4. La figura 4c muestra la micrografía de SEM de la muestra de BiVO4 obtenida de la reacción de coprecipitación utilizando un 9% en peso de CMC en la solución como estabilizador. Como se puede observar la muestra tiene un tamaño más pequeño de partícula comparada con la muestra obtenida por coprecipitación sin la adición de CMC. Para efectos comparativos se incluyen las imágenes de la muestra sintetizada por reacción en estado sólido a) y coprecipitación en ausencia de CMC, 4b). En este trabajo se realizaron además experimentos de obtención de BiVO4 mediante la técnica de combustión utilizando CMC como combustible. En la figura 5 se pueden observar las imágenes SEM de las muestras preparadas por esta técnica. Lo que podemos observar de manera general es la presencia de nanopartículas con tamaños entre los 50 y 200 nm que se encuentran ensambladas en arreglos de mayor tamaño. Este tipo de estructuras son conocidas como materiales nanoestructurados 3D. La formación de agregados es más evidente en las muestras con un tratamiento térmico a 200 °C (figura 5b), posiblemente debido a que después del proceso de combustión residuos del material orgánico permanecieron en la superficie y el tratamiento Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Fig. 5. Micrografías de SEM de BiVO4 preparado mediante la técnica de combustión sin tratamiento térmico (a), y con tratamiento térmico a una temperatura de 200°C (b), 300°C a baja magnificación (c) y 300°C a alta magnificación (d). térmico a 200 °C no fue suficiente para removerlos. Para la muestra con un tratamiento térmico a 300 °C las partículas se observan definidas debido a que estas condiciones de tratamiento térmico remueven exitosamente los residuos orgánicos de la superficie de BiVO4 densificando además las partículas. La muestra obtenida después de las condiciones hidrotermales a 160 °C por 48 horas y un contenido de CMC del 6% fue analizada por SEM después de su purificación. Las imágenes obtenidas se presentan en la figura 6. La muestra presenta una morfología con una tendencia a la formación de estructuras 1D ramificada, es decir, las estructuras parecen tener una dirección preferencial de crecimiento tal y como está marcada en la imagen. 47 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua / Azael Martínez De la Cruz, et al. Fig. 6. Micrografías de SEM de BiVO4 preparado mediante la técnica hidrotermal en presencia de CMC al 6%. La figura 7 muestra las constantes de velocidad aparente (k) del proceso de fotodegradación de rhB y el tiempo de vida media del colorante (t1/2) cuando las distintas muestras de BiVO4 fueron empleadas como catalizadores. La muestra con menor actividad catalítica fue la obtenida por reacción en estado sólido, probablemente debido a que las altas temperaturas de síntesis produjeron un material bien sinterizado, con tamaños de partícula grande que hacen que los recorridos del par hueco-electrón hacia la superficie del catalizador sean largos y tengan una alta probabilidad de recombinación. Fig. 7. Datos cinéticos de la reacción de fotodegradación de rhB utilizando BiVO4 como fotocatalizador. A pesar de que las muestras H160-20 y H16048 obtenidas por hidrotermal presentaron las áreas superficiales mayores de entre todas las sintetizadas, su actividad catalítica no fue la más alta observada. La causa de la menor actividad catalítica observada en las muestras H160-20 y H160-48 puede estar relacionada con la temperatura de síntesis. A diferencia de los métodos de co-precipitación y combustión, en el método hidrotermal no se requirió 48 de un post-tratamiento térmico para la obtención de BiVO4. En la síntesis hidrotermal el óxido BiVO4 fue obtenido en fase acuosa en condiciones hidrotermales a 160ºC, sin un posterior tratamiento térmico lo que influye en la obtención de un material de baja cristalinidad. Al igual que las propiedades físicas del catalizador como estructura cristalina y electrónica, área superficial, tamaño de partícula y banda de energía prohibida; el grado de cristalinidad puede desempeñar un papel determinante en la actividad del catalizador. Los defectos presentes en los materiales de baja cristalinidad pueden actuar como centros de recombinación del par hueco-electrón, lo que hace ineficiente el proceso de separación de cargas y afectar considerablemente la actividad del catalizador. Este hecho no se contrapone con lo descrito con respecto al BiVO4 sintetizado por reacción en estado sólido, ya que la temperatura tiene un efecto inverso en el grado de cristalinidad de la muestra y su tamaño de partícula, debiéndose establecer un compromiso entre ambos parámetros. Asimismo, la actividad catalítica de las muestras H160- puede ser afectada a la presencia de CMC no removido por ausencia del tratamiento térmico. Este hecho parece estar respaldado por los resultados obtenidos en las muestras de combustión. Por su parte, las muestras obtenidas por coprecipitación (CMC-200, CMC-300) y combustión en presencia de CMC (BiVC-1, 3, 6, 9) requirieron de un post-tratamiento térmico del precipitado para la obtención de BiVO4 en forma pura. El tratamiento térmico a temperaturas del orden de los 200-300ºC promovió la formación del polimorfo monoclínico de BiVO4 y la eliminación de CMC. No obstante el análisis elemental y las micrografías de SEM revelaron la presencia de carbón residual en las muestras de menor temperatura de calcinación (CMC200 para el caso particular de la combustión). La presencia de CMC en el proceso de formación de BiVO4 tiene un efecto positivo en la actividad catalítica del material final. Esta situación se puede apreciar si observamos la serie de muestras preparadas por combustión BiVC- e incluimos la obtenida por co-precipitación simple. La actividad catalítica del material aumenta casi de manera lineal a medida que se incrementa la cantidad de CMC, encontrándose el mejor resultado con contenidos iniciales de CMC del 9% (BiVC-9). De acuerdo a Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua / Azael Martínez De la Cruz, et al. las micrografías obtenidas por SEM el desarrollo de morfología en forma de nanoesferas desarrollada a altas concentraciones de CMC parece influir en la actividad catalítica de BiVO4. CONCLUSIONES El semiconductor óxido BiVO4 sintetizado por co-precipitación presentó actividad catalítica para la reacción de fotodegradación de rhB en disolución acuosa bajo radiación con luz visible. Se observó que parámetros como el método de síntesis de BiVO4, el pH de la dispersión y suministro de O2; afectan significativamente la fotodegradación de rhB en disolución acuosa. El pH juega un papel muy importante en el proceso de degradación oxidativa de la rhB en disolución acuosa, ya que a mayor pH la velocidad de fotodegradación aumenta de manera significativa. A pH alcalino la concentración del ion OHaumenta, lo que favorece su adsorción sobre el BiVO4 conduciendo a la formación del radical HO•, mediante un proceso de oxidación con los h+ de la banda de valencia del semiconductor, con lo cual se evita la recombinación del par hueco-electrón y favorece su eficiente separación. El suministro de O2 tiene un efecto positivo en el proceso de fotodegradación catalítica de rhB en medio alcalino debido a que actúa como una trampa de los electrones de la banda de conducción del semiconductor con lo cual se favorece a la eficiente separación del par hueco-electrón y se disminuye el proceso de recombinación de ellos. Al igual que propiedades físicas del catalizador como estructura cristalina y electrónica, área superficial, tamaño de partícula y banda de energía prohibida; el grado de cristalinidad puede Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 desempeñar un papel determinante en la actividad del catalizador. Los defectos presentes en los materiales de baja cristalinidad pueden actuar como centros de recombinación del par hueco-electrón lo que hace ineficiente el proceso de separación de cargas y afecta considerablemente la actividad del catalizador. REFERENCIAS 1. L. Dapeng, Q. Jiuhui, “The progress of catalytic technologies in water purification: A review”, Journal of Environmental Sciences 21 (2009) 713. 2. Y. Huang, Z. Ai, W. Ho, M. Chen, S. Lee, “Ultrasonic spray pyrolysis synthesis of porous Bi2WO6 microspheres and their visible-lightInduced photocatalytic removal of NO”, J. Phys. Chem. C 114 (2010) 6342. 3. N. Aman, T. Mishra, J. Hait, R.K. Jana, “Simultaneous photoreductive removal of copper (II) and selenium (IV) under visible light over spherical binary oxide photocatalyst”, Journal of Hazardous Materials 186 (2011) 360. 4. R. Jain, M. Mathur, S. Sikarwar, A. Mittal, “Removal of the hazardous dye rhodamine B through photocatalytic and adsorption treatments”, Journal of Environmental Management 85 (2007) 956. 5. A.R. Lim, K.H. Lee, S.H. Choh, “Domain wall of ferroelastic BiVO4 studied by transmission electron”, State Commun. 83 (1992) 185. 6. L. Zhou, W. Wang, L. Zhang, H. Xu, W. Zhu, “Single-crystalline BiVO 4 microtubes with square cross-sections: microstructure, growth mechanism, and photocatalytic property”, J. Phys. Chem. C 111 (2007) 13659. 49 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre la disolución de la fase γ’ y carburos sobre la aleación Waspaloy® Saraí Villalpando HernándezA, Hugo Guajardo MartínezB, Juan Antonio Pérez PatiñoA, Enrique López CuellarA,C Martín Edgar Reyes MeloA,C FIME-UANL FRISA C CIIDIT-UANL enlopez_73@yahoo.com, mreyes@gama.fime.uanl.mx A B RESUMEN En este trabajo se caracterizó la superaleación aeroespacial Waspaloy con el fin de encontrar las fases remanentes después de haberlas sometido a tratamientos térmicos de disolución a altas temperaturas. Este estudio fue realizado para determinar el efecto de la temperatura y el tiempo sobre la disolución completa o parcial de la fase γ´ y los carburos. Dos diferentes aleaciones fueron caracterizadas para encontrar posibles diferencias entre las muestras tratadas a los diferentes tratamientos térmicos. Los resultados mostraron que una de las aleaciones presentó fases remanentes incluso a la temperatura de disolución sugerida por el fabricante, ocasionando respuestas del material poco congruentes con los diagramas TTT reportados en la literatura. PALABRAS CLAVE Waspaloy, carburo, tratamiento térmico. ABSTRACT A superalloy Waspaloy for aerospace applications was characterized in this work in order to find remaining phases after heat treatments for dissolution at high temperature. This study performed with the aim of determining the effect of temperature and time on the complete or partial dissolution of γ´ and carbides phases. Two different samples were characterized in order to find differences between the samples exposed to the different heat treatments. Results showed that one of the alloys presented remaining phases even at the temperature dissolution suggested by the manufacturer, causing responses of the material that are not accordingly to TTT diagrams reported in literature. KEYWORDS Waspaloy, carbide, heat treatment. 50 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre disolución de la fase γ´ y carburos sobre ... / Saraí Villalpando Hernández, et al. INTRODUCCIÓN En la industria aeroespacial se emplean superaleaciones base Ni debido a la estabilidad de propiedades tanto a baja como a alta temperatura, además de su resistencia a la fractura.1-4 Una de las aleaciones más empleadas para la elaboración de piezas para motores a reacción es Waspaloy, utilizada principalmente en la sección caliente LPT (Low Pressure Turbine). Esta aleación se encuentra clasificada como una aleación base Ni,5 la cual debe sus propiedades principalmente al endurecimiento por precipitación de la fase γ’ en una matriz de fase γ.6 La aleación posee resistencia a alta temperatura (≈700 °C) y con una buena resistencia a la corrosión, especialmente a la oxidación a alta temperatura.7 La composición química reportada en la literatura para esta aleación es (% en peso): Cr 11.4, Co 14.0, Mo 4.5, Fe 0.6, Al 1.22, Ti 3.13, C 0.033, B 0.005, Ni bal. El Al y el Ti forman γ’ para un total aproximado de 0.25 de fracción volumétrica.8 El Cr, Co, y Mo causan un endurecimiento adicional por solución sólida con una baja tendencia a formar fases topológicas empaquetadas después de largos tiempos de servicio. Es por esto que en la actualidad, es muy común encontrar la aleación Waspaloy en hojas, anillos, ejes y discos de turbinas. No obstante la importancia de las propiedades de esta superaleación, en la literatura existe poca información sobre la cinética de precipitación de sus fases. Penkalla H.J. et al en 20037 reportaron un diagrama TTT en el cual se aprecia cómo, a temperaturas superiores a 1065 °C se alcanza la temperatura de disolución de todas las fases presentes en la aleación y además que con tiempos de enfriamiento relativamente fáciles de alcanzar (10 hr), ninguna de las fases debe de precipitar. Por otro lado, en la industria aeroespacial de la región, específicamente en el forjado a alta temperatura de piezas para turbinas, muy a menudo se reciben barras de distintos proveedores con pequeñas variaciones en la composición de esta aleación. Éstas pueden ser el origen de cambios en propiedades mecánicas dependiendo de los tratamientos termomecánicos utilizados y por lo tanto provocan que los productos finales no Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 cumplan con los requerimientos y especificaciones que requieren los clientes, generando problemas inherentes al proceso de forja. Lo anterior trae como consecuencia pérdidas económicas importantes si no se realizan ajustes en el proceso; de no ser detectados estos cambios antes de su aplicación operacional de la pieza, podrán incluso ser de consecuencias catastróficas en pérdidas humanas. En este trabajo, se estudian las fases remanentes de dos aleaciones distintas de Waspaloy después de haber sido expuestas a tratamientos térmicos a distintas temperaturas y tiempos. Esto con el fin de poder determinar una temperatura de partida que asegure un estado homogéneo y libre de fases remanentes que pudieran originar estos cambios. Los resultados mostraron en este caso que, una de las aleaciones (W1), cuya composición es parecida a la reportada en la literatura, presenta fases remanentes a temperaturas superiores a las de disolución propuestas por el mismo fabricante y además muestra una mayor dispersión de las propiedades mecánicas, lo que seguramente es consecuencia de una heterogeneidad importante en la composición química. Mientras que para la otra muestra (W2), los resultados de dureza, microscopía óptica y DTA sugieren que no se presenta la fase γ´ por encima de la temperatura de solubilidad sugerida, por lo que resulta ésta, una aleación más atractiva para su uso en la elaboración de turbinas. El orden de temperaturas estudiadas en este trabajo es de 1000 y 1100 °C y corresponde a la reportada por Penkalla H.J.7 METODOLOGÍA En este trabajo, se estudiaron dos diferentes aleaciones de Waspaloy, las cuales se identificaron como W1 y W2, con diferencias significativas en composición química, partircularmente en el contenido de cobalto y níquel. Al comparar la composición con la reportada por Penkalla H.J. et al7 se puede observar una diferencia mayor en los porcentajes que se ve reflejada en la cantidad de Co, siendo la aleación reportada por Penkalla H.J et al7 la que tiene mayor porcentaje (14%) contra el 13.35% que reporta W1 y el 12.86% que 51 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre disolución de la fase γ´ y carburos sobre ... / Saraí Villalpando Hernández, et al. reporta W2 y según lo reportado en la literatura, el Co favorece la formación de la fase γ. Los tratamientos térmicos se realizaron a 4 temperaturas distintas y 8 tiempos diferentes. Las condiciones vienen reportadas en la tabla I. En donde el tratamiento A1 significa que la temperatura se mantuvo 5 °C por debajo de la temperatura de disolución de la γ’ sugerida por el fabricante durante el tiempo 1, que tiene una duración de 30 minutos y así sucesivamente. Y Z0 es el nombre con el que se identifica a la probeta sin tratamiento térmico. Tabla I. Condiciones de los tratamientos térmicos. Tiempo en minutos 30 60 90 120 150 180 210 240 Temp (°C) 1 2 3 4 5 6 7 8 A=γ´-5 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 D=γ´+5 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 E=γ´+20 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 G=γ´+40 G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 Después de haber sido sometidas las muestras a sus tratamientos térmicos correspondientes, se seleccionaron algunas de ellas para ser primeramente, caracterizadas mediante difracción de rayos x en un equipo D8 Advance de marca Bruker , con un tamaño de paso de Δ2θ = 0,02°, permitiendo 5 s por paso. Lo anterior con el propósito de determinar sí mediante esta técnica, se pueden observar fases remanentes. Posteriormente, estas muestras fueron analizadas en un DTA marca Perkin Elmer. Las pruebas se realizaron a una temperatura de inicio 100°C y siguiendo una rampa de temperatura de 10°C por minuto hasta alcanzar una temperatura de 950°C. Esto como una técnica para poder identificar también fases remanentes. Posteriormente las muestras fueron caracterizadas mediante microscopía óptica utilizando para tal efecto un microscopio óptico marca Zeuss. Finalmente se llevaron a cabo pruebas de dureza en un Micro Hardness Tester marca SHIMADZU, con una carga de 2.92 N durante 15 segundos, para poder correlacionar las propiedades mecánicas con la microestructura y las posibles fases remanente. 52 RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la figura 1 (a y b) se reportan los difractogramas obtenidos para las muestras W1 y W2 de los estados Z0, A1, A8, D1 y G8 reportados en la tabla I. Estos estados fueron seleccionados para explorar solamente los estados claves con temperaturas bajas y altas, a tiempos cortos y tiempos largos, esto con el fin de evitar llevar a cabo el análisis de difracción de rayos X a los 24 estados. Como se puede observar, los resultados de difracción para los 5 estados para ambas muestras, corresponden en su totalidad a la fase γ, lo que es totalmente acorde a los TTT reportados en la literatura. Por lo que es de esperarse que el resto de los otros estados tengan el mismo comportamiento en cuanto a difracción de rayos X. Sin embargo, mediante esta técnica no se puede descartar la presencia de fases remanentes en pequeñas cantidades (<0.5 %). Por esta razón, se decidió realizar posteriormente pruebas mediante DTA. Fig. 1 (a y b). Difractogramas por rayos X de las aleaciones W1 y W2 respectivamente a distintos tratamientos térmicos. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre disolución de la fase γ´ y carburos sobre ... / Saraí Villalpando Hernández, et al. En la figura 2 (a y b) se presentan los resultados obtenidos mediante DTA para las muestras sometidas a los tratamientos térmicos caracterizados por difracción reportados en la figura 1. Es muy evidente en la muestra W1, que a partir de los 500 °C, se comienza a dar un cambio en la pendiente del gráfico, y que a los 680 °C y 750 °C aproximadamente, unos pequeños y estrechos picos son detectados con claridad. Estas temperaturas son del orden de las temperaturas de formación de la fase γ’ lo que sugiere su presencia en la muestra, pero que ésta, debe de ser en muy pequeñas cantidades debido a la forma e intensidad de los picos. Y de ser así, ésta sería la razón por la cual mediante la técnica de difracción de rayos X, resulta imposible detectarla. La muestra W2 no muestra estos pequeños picos, solo muestra cambios en la línea base, lo que resulta en poca evidencia para poder decir que existen fases que se están precipitando. Fig. 2 (a y b). Resultados de DTA de las muestra W1 y W2 respectivamente. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Con el fin de analizar su microestructura y observar la presencia de posibles fases remanentes aún en pequeñas cantidades, se realizaron observaciones metalográficas. En la figura 3 (a-f) se muestran las micrografías de la muestra original y de los tratamientos térmicos Z0, A1, A8, D1 y G8 respectivamente y que se reportan en la tabla 1 para la muestra W1. Como se puede apreciar, no se da en ninguno de los casos una expansión de grano. Pero si se pueden observar, estados más limpios que otros. Resulta muy claro que el tratamiento Z0, A1 y el A8, presentan la presencia en algunos granos de algún tipo de precipitación. Lo que apoyado con los resultados obtenidos por DTA y el orden de temperaturas de los picos, sugiere que se trate de la fase γ´. Por otro lado, la figura 4 (a-f) muestra también los mismos estados pero para la muestra W2. Caso contrario a la muestra W1, en esta aleación se logra identificar de manera clara un incremento importante en el tamaño de grano. Y al igual que para la muestra W1, también se puede observar en distintos estados la presencia de granos, lo que pareciera ser otra fase distinta a la matriz, tanto en el Z0, A1 y A8. Esto indica que los tratamientos Z0 (sin tratamiento térmico) y los A (γ´-5) que son los de la temperatura más baja, tienden a formar esta segunda fase, o a no disolver en su totalidad, la fase remanente γ´ que contienen de origen de fábrica las muestras. Lo que resulta muy congruente con los TTT encontrados en la literatura. Finalmente, se procedió a realizar ensayos mecánicos a las muestras tratadas midiendo su microdureza. En la figura 5 (a y b), se muestran los resultados de las microdurezas para la muestra W1 y W2 respectivamente. Debido a la simplicidad de esta prueba se optó por analizar más estados, sobre todo al tiempo más corto y más largo de cada temperatura. Los estados analizados fueron: A1, A4, A5, A8, D1, D8, E1, E8, G1 y G8. En la muestra W1, se aprecia una ligera tendencia a la disminución de la microdureza a medida que la temperatura y el tiempo aumentan. Sin embargo, la muestra W2 muestra claramente una disminución importante de la dureza una vez que se trabaja con la temperatura de 5 °C por encima de la temperatura de la disolución total de γ’ sugerida por el fabricante. La dureza baja 53 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre disolución de la fase γ´ y carburos sobre ... / Saraí Villalpando Hernández, et al. claramente del orden de los 320 Vickers a los 220. Lo cual indica que las posibles fases remanentes de γ’, observadas claramente para ambas muestras mediante microscopía óptica y detectadas por DTA al menos para W1, son el origen de este incremento en la dureza y que desaparecen con un ligero aumento en la temperatura independientemente del tiempo expuestas. Por otra parte, el crecimiento del tamaño de grano, también podría ser un factor a tomar en Fig. 3 (a-f). Micrografías de los tratamientos Z0, A1, A8, D8, E8 y G8 de la muestra W1. 54 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre disolución de la fase γ´ y carburos sobre ... / Saraí Villalpando Hernández, et al. cuenta, sin embargo, en este caso sería mínimo, debido a que no en todos los casos en los que disminuyó la dureza, hubo crecimiento de grano. Y en estas aleaciones, el aporte principal al incremento de la dureza, es la precipitación de la fase γ´. Al comparar los resultados de dureza entre la muestra W1 y W2, se puede ver que la W2 muestra un comportamiento más predecible y esperado según Fig. 4 (a-f). Micrografías de los tratamientos Z0, A1, A8, D8, E8 y G8 de la muestra W2. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 55 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre disolución de la fase γ´ y carburos sobre ... / Saraí Villalpando Hernández, et al. Fig. 5 (a y b). Microdurezas de las muestras W1 y W2 respectivamente a distintos tratamientos térmicos. los TTT reportados. Y se podría decir que en la W1 se presenta la fase remanente independientemente de la temperatura o el tiempo establecido en el TT. Esto la puede convertir en una aleación mucho más difícil de trabajar y con mayor heterogeneidad, lo cual puede resultar en un serio problema para sus aplicaciones. Y esto puede ser corroborado por los resultados de DTA, en donde los picos de la fase remanente que coinciden en este caso con los de la γ’, son muy claros para casi todos los tratamientos térmicos de la muestra W1. Además, en microscopía óptica, también, para los tratamientos más bajos, esta fase remanente, se identifica de manera muy clara. En cambio, la muestra W2 muestra ser mucho más noble, ya que con asegurarnos un incremento mínimo de 5 °C por encima de lo sugerido por el fabricante, las fases remanentes desaparecen por completo según el comportamiento mecánico del material. Lo anterior sugiere que la aleación W2 posee un control más estricto sobre la homogeneidad en la composición química de la aleación que la W1. 56 CONCLUSIONES Los resultados demuestran que la microdureza se ve afectada más por la fase remanente que por el crecimiento de grano en ambas aleaciones. En la aleación W1 parecen existir fases remanentes incluso por encima de la temperatura de solubilidad de la fase γ´ sugerida por los fabricantes. Mientras que en la W2 los resultados de dureza, microscopía y DTA sugieren que no se presenta la γ´ por encima de la temperatura de solubilidad. Esto podría deberse a un mayor control y homogeneidad de la composición química en la W2. Por otro lado, debido a que las fases remanentes se encuentran en muy bajas cantidades, la técnica de difracción de rayos X resulta inadecuada para su detección, mientras que por DTA, dureza y microscopía si es posible detectarlas. Así mismo, podemos decir que utilizar los TTT que se proponen en la literatura, como el de Penkalla H.J et al en 2003, al pie de la letra no resulta tan recomendable, ya que esta aleación Waspaloy, resulta muy sensible a cambios en la composición. Se recomienda entonces, usar la literatura solamente como una guía, y para aplicaciones industriales, se deberá de caracterizar a detalle cada aleación de distinta procedencia, o cada aleación con una composición específica, tal y cómo se caracterizó en este trabajo. REFERENCIAS 1. E. López Cuéllar, L. López Pavón, U. Ortiz Méndez, E. Reyes Melo, A. Martínez de la Cruz, M. Morin and H. Guajardo Martínez. The Thermoelectric Power, an alternative nondestructive method for the characterization of Inconel 718. Nova Science Publishers, Inc. (USA), 2011, ISBN: 978-1-61728-898-2. 2. E. López Cuéllar, E. Reyes Melo, A. Martínez-de la Cruz, A. García Loera, M. Morin. Journal of Alloys and Compounds 509 (2011) 7297–7302. 3. E. López Cuéllar, M. Morin, E. Reyes Melo, U. Ortiz Méndez, H. Guajardo Martínez, J. Yerena Cortéz. Journal of Alloys and Compounds 467 (2009) 572–577. 4. Penkalla H.J., Wosik J. Materials Chemistry and Physics 81 (2003) 417-423. 5. V.S.K.G. Kelekanjeri, R.A. 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IMPI’s CALL 2013 47 Annual Microwave Power Symposium th FOR PAPERS The premier industry-wide microwave power event June 25-27, 2013 The Providence Biltmore Providence, Rhode Island, USA Submission Deadline February 4, 2013 The International Microwave Power Institute invites the foremost researchers, experts and authors in the industry to submit papers in all areas of research, development, manufacture, specifications and use of microwave and radio frequency energy systems for all type of non-communication applications with an emphasis on food technology and food safety, development of applied and industrial systems, and new emerging technologies and processes. Presented by the International Microwave Power Institute PO Box 1140, Mechanicsville, VA 23111 Phone: +1 (804) 559 6667 t E-mail: info@impi.org www.impi.org Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 57 �Eventos y reconocimientos I. TALLER NACIONAL DE ASTROFÍSICA En el marco del 80 aniversario de la UANL y el primero del Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA), del 4 al 8 de marzo de 2013, se celebró el Primer Taller Nacional de Astrofísica Planetaria, cuyo objetivo es fomentar la colaboración entre los diferentes grupos que realizan estudios en las ciencias planetarias y la astrofísica de sistemas planetarios en el país y propiciar un foro para la discusión de propuestas de proyectos de observación, espaciales o teóricos para el desarrollo de la astronomía del país. En la inauguración estuvieron presentes el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, el Dr. José Franco López, Presidente de la Academia Mexicana de Ciencias, el Dr. Juan Manuel Alcocer González, Secretario Académico de la UANL, la M.C. Patricia Martínez Moreno, directora de la FCFM, y estuvo Autoridades en la inauguración del Taller Nacional de Astrofísica. 58 presidida por el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL, quien anunció en su discurso la creación de un Observatorio Astronómico de la UANL en el municipio de Iturbide, proyecto que contará con el apoyo académico de la UNAM y de gestión para los recursos de inversión por parte de organismos nacionales como CONACYT y la AMC. En este evento se rindió homenaje al Dr. Héctor Pérez de Tejada, principal promotor de las ciencias espaciales en México y quien desde 1970 colabora en el Instituto de Geofísica de la UNAM. II. HOMENAJE A RAÚL RANGEL FRÍAS El pasado 15 de marzo se rindió homenaje en la Capilla Alfonsina al licenciado Raúl Rangel Frías, fundador de la revista Armas y Letras, en conmemoración del centenario de su natalicio. Fue recordado por su faceta de escritor con la publicación bilingüe (español-francés) de su libro Kato y otros relatos. El evento fue encabezado por el rector Jesús Ancer Rodríguez y contó con la presencia de la maestra Alejandra Rangel Hinojosa, hija del autor, quien habló de la obra, publicada por primera vez en 1981, en el marco de la Feria Universitaria UANLeer y del octogésimo aniversario de la Máxima Casa de Estudios. También fue publicado un número especial de colección de la revista Armas y Letras dedicada exclusivamente a conmemorar el centenario del natalicio de Raúl Rangel Frías. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 �Eventos y reconocimientos Alejandra Rangel Hinojosa, hija de Raúl Rangel Frías. III. NUEVA MESA DIRECTIVA DE LA REGIÓN NORESTE DE LA ACADEMIA MEXICANA DE CIENCIAS El pasado 13 de febrero tomó protesta el Consejo Directivo 2013-2015 de la Academia Mexicana de Ciencias (AMC) de la Región Noreste. El nuevo presidente es el Dr. Enrique Jurado Ybarra, de la Facultad de Ciencias Forestales, el Secretario es el Dr. Azael Martínez de la Cruz de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y la Tesorera es la Dra. Verónika Sieglin de la Facultad de Trabajo Social y Desarrollo Humano, todos profesoresinvestigadores de la UANL. La toma de protesta de la nueva Junta Directiva estuvo a cargo del Dr. José Franco López, Presidente Nacional de la AMC, en presencia del Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL, el Ing, Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL, el Dr. Mario César Salinas Carmona, Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado, y la Dra. Norma Laura Heredia Rojas, presidente saliente. En esa misma reunión se le otorgó al Dr. Reyes Tamez Guerra el nombramiento de miembro distinguido de la AMC por su trayectoria como investigador, formador de capital humano altamente calificado y gestor del conocimiento. Una parte muy importante del evento fue la entrega de constancias a 12 científicos, entre los que se encuentra la Dra. Ada Margarita Álvarez Socarrás, profesora-investigadora de la FIME. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 Los nuevos miembros de la AMC, Región Noreste son: • Dra. Ada Margarita Álvarez Socarrás (FIME-UANL) • Dra. Gloria María González González (Medicina-UANL) • Dr. Humberto González Rodríguez (Ciencias Forestales-UANL) • Dra. Natalya Kalashnykova (Ciencias Físico-Matemáticas-UANL) • Dr. Jorge Enrique Castro Garza (IMSS) • Dr. Óscar Flores Torres (UdeM) • Dr. Jorge Alejandro Benavides Lozano (ITESM) • Dr. Bryan William Husted Corregan (ITESM) • Dr. Servando López Aguayo (ITESM) • Dr. Roberto Parra Saldívar (ITESM) • Dr. César Vargas Rosales (ITESM) • Dr. Marcelo Fernando Videa Vargas (ITESM) Toma de protesta del Dr. Enrique Jurado Ybarra, el Dr. Azael Martínez y la Dra. Verónika Sieglin 59 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL * Enero a Diciembre 2012 Ireri Aydee Sustaita Torres, Doctora en Ingeniería de Materiales. Tesis: Envejecimiento de aleaciones resistentes al calor 35 Cr-45i alto y bajo carbono, 24 de febrero de 2012. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz (asesor), Dra. Martha P. Guerrero Mata, Dra. Maribel De La Garza Garza, Dr. Sergio Haro Rodríguez, Dr. Abraham Velasco Téllez. Rodrigo Puente Ornelas, Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Efecto de la adición del residuo nanosilice geotérmica sobre la durabilidad de morteros y concretos base cemento portland, 25 de mayo de 2012. Jurado: Dra. Lauren Y. Gómez Zamorano (asesor), Dra. Ana María Guzmán Hernández, Dra. Ana María Arato Tovar, Dr. Gerardo Fajardo San Miguel, Dra. Bertha A. Vázquez Méndez. Vanesa Avalos Gaytán, Doctora en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de Sistemas. Tesis: Modelo adaptativo para la sincronización en redes modulares, 9 de julio de 2012. Jurado: Dra. Satu Elisa Schaeffer (asesor), Dr. José Arturo Berrones Santos, Dr. Romeo Sánchez Nigenda, Dr. Juan Antonio Almendral Sánchez, Dra. Laura Cruz Reyes. Tania Turrubiates López, Doctora en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de Sistemas. Tesis: Complejidad computacional estructural en redes complejas, 27 de julio de 2012. Jurado: Dra. Satu Elisa Schaeffer (asesor), Dr. José Arturo Berrones Santos, Dra. Sara Elena Garza Villarreal, Dra. Vanesa Landero Nájera, Dr. Gregorio Toscano Pulido. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. 60 Oscar Jesús Zapata Hernández, Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Simulación de la evolución microestructural de aceros al silicio durante su deformación en caliente, 23 de agosto de 2012. Jurado: Dra. Martha P. Guerrero Mata (asesor), Dr. Luis Leduc Lezama, Dra. Tania Berber Solano, Dr. Víctor Vázquez Lasso, Dr. Eduardo Valdés Covarrubias. Andrés Fernando Rodríguez Jasso, Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Desarrollo de aleaciones de alta resistencia A1-Cu Serie 2XX, 21 de septiembre de 2012. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz (asesor), Dra. Martha P. Guerrero Mata, Dr. Arturo Juárez Hernández, Dr. José Talamantes Silva, Dr. Salvador Valtierra Gallardo. José Alejandro González Villarreal, Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Efecto de la microestructura y las variables de solidificación sobre el comportamiento a fatiga de alto ciclo en una aleación hipereutectica A1-Si-Ceu-Ni, 21 de septiembre de 2012. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz, Dra. Martha P. Guerrero Mata, Dr. Javier E. González López, Dr. José Talamantes Silva, Dr. Salvador Valtierra Gallardo. Cyndy Arlenn Iñiguez Sánchez, Doctora en Ingeniería de Materiales. Tesis: Microestructura y propiedades mecánicas de cementos compuestos: efecto de la reactividad de adiciones pozolanicas e hidráulicas, 28 de septiembre de 2012. Jurado: Dra. Lauren Y. Gómez Zamorano (asesor), Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dr. Juan Jacobo Ruiz Valdés, Dr. José Juan Escalante García. Yajaira Cardona Valdés, Doctora en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de sistemas. Tesis: Estudio Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL de un problema Bi-objetivo de diseño de cadena de suministro con incertidumbre en las demandas, 2 de noviembre de 2012. Jurado: Dra. Ada M. Álvarez Socarras (asesor), Dr. José A. Berrones Santos, Dr. Fernando López Irarragorri, Dr. Joaquín Pacheco Bonrostro, Dra. Iris Martínez Salazar. José Manuel Diabb Zavala, Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Recubrimiento de Ti-A1-0-C por una nueva técnica: deposición por fricción y oxidación térmica (DFOT) aplicado en la aleación Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, 20 de noviembre de 2012. Jurado: Dr. Marco Antonio L. Hernández Rodríguez (asesor), Dr. Arturo Juárez Hernández, Dr. Rafael Colás Ortiz, Dr. Juan Genesca Llongueras, Dr. José Dolores Oscar Barceinas Sánchez. Edgar Efraín Gauna González, Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Síntesis de hidrogeles interpenetrados base poli (nisopropilacrilamida) y quitosán para la obtención de nanopartículas magnéticas, 13 de diciembre de 2012. Jurado: Dr. Virgilio A. González González (asesor), Dr. Marco Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 A. Garza Navarro, Dr. Antonio F. García Loera, Dr. Jorge Romero García, Dr. Antonio Serguei Ledezma Pérez. Luis Alonso Trujillo Guajardo, Doctor en Ingeniería Eléctrica. Tesis: Mitigación del error de impedancia en relevadores de distancia ante la modernización de los sistemas eléctricos de potencia, 14 de diciembre de 2012. Jurado: Dr. Arturo Conde Enríquez (asesor), Dr. Ernesto Vázquez Martínez, Dr. Manuel A. Andrade Barradas, Dr. Armando Llamas Terres. Gladys Yerania Pérez Medina, Doctora en Ingeniería de Materiales. Tesis: Soldabilidad y mecanismos de transformaciones de fase en uniones de aceros avanzados de alta resistencia martensíticos y TRIP por los procesos láser y FSW, 19 de diciembre de 2012. Jurado: Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo (asesor), Dr. Facundo Almeraya Calderón, Dra. Citlalli Gaona Tiburcio, Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés, Dr. Felipe de Jesús García Vázquez. 61 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Diciembre 2012 - Febrero 2013 Mayra Elena Reyes Hernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 6 de diciembre de 2012 Enedely Silerio Benavides, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Diseño de un dispositivo experimental de maquinado para aleaciones de Al-Si”, 7 de diciembre de 2012. Jesús Eduardo Ferrer Hurtado, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable, (Por materias), 7 de diciembre de 2012. Adrian Mendoza Ayala, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, Relaciones Industriales, (Por materias), 10 de diciembre de 2012. Edith Margarita Hernández Torres, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Influencia del proceso de criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos de polipropileno con organoarcillas”, 11 de diciembre de 2012. Roxana Colunga Jaime, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 3 de diciembre de 2012. Alma Graciela Esmeralda Gómez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Propiedades mecánicas en aleaciones de aluminio vaciadas desde temperatura ambiente hasta 300°C”, 13 de diciembre de 2012. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. 62 Gerardo Treviño Castro, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 13 de diciembre de 2012. Lynda Margarita López Sosa, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis de un recubrimiento bioactivo sobre aleación Co-Cr mediante laser CO2”, 14 de diciembre de 2012. Roberto Eliud Soto Espinoza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable, “Desarrollo de un código computacional para el cálculo dinámico de cargas térmicas en edificaciones”, 14 de diciembre de 2012. Álvaro Daniel González Yzcoa, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Diagnóstico de fallas de sistemas operando en lazo cerrado”, 14 de diciembre de 2012. José Luis Tijerina González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Evaluación y caracterización de recubrimiento depositados por técnica PVD en una aleación de cobalto biocompatible ASTM-F75”, 14 de diciembre de 2012. Vicente Cantú Prado, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 17 de diciembre de 2012. Héctor Posadas Fabela, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Optimización de un sistema de alimentación para la producción de cabezas de aluminio por el proceso de gravedad”, 18 de diciembre de 2012. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Sandra de la Vega Méndez, Maestría enAdministración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 18 de diciembre de 2012. Idalia Yadira Abigail Orozco Morales, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de diciembre de 2012. Oscar Ríos Resendiz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de diciembre de 2012. Itzel Castillo Müller, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio tribológico de lubricantes y recubrimientos duros en el proceso de estampado”, 20 de diciembre de 2012. Héctor Ángel Tijerina Martínez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de diciembre de 2012. Emmanuel Moreno Aguilar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 20 de diciembre de 2012. Guillermo Díaz de la Vega González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 20 de diciembre de 2012. Lizangela Guerra Fuentes, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio del envejecimiento en aceros 1004 y 1006”, 14 de enero de 2013. Fernando Antonio Blanco Flores, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Preparación y Caracterización de polipropileno injertado con pireno como dispersante de óxido de grafeno reducido”, 15 de enero de 2013. Lucio Alberto Sánchez Esparza, Maestría en Ingeniería con orientación Eléctrica, (Por materias), 15 de enero de 2013. Lonela Cristal de León Medellín, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Desarrollo de esquemas de control utilizando un enfoque híbrido con aplicación al convertidor multicelular de 3 niveles”, 21 de enero de 2013. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 Mario Valles Ballesteros, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, Producción y Calidad, (Por materias), 24 de enero de 2013. Jesús Antonio Rodríguez de Ita, Maestría en Ingeniería con orientación Eléctrica, (Por materias), 28 de enero de 2013. Juan Enrique Hernández Castro, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la susceptibilidad a la corrosión bajo esfuerzos de uniones en tuberías de acero API 5L X-70 obtenidas por soldadura SMAW y MMA”, 28 de enero de 2013. Eduardo Martínez Zambrano, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Control Automático, “Metodología para la estabilización cuadrática por retroalimentación del estado de dependencia paramétrica para sistemas lineales con parámetros variantes en el tiempo”, 28 de enero de 2013. Filiberto Zambrano Ayala, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Control Automático, “Sincronización caótica de redes complejas formadas por osciladores discretos”, 29 de enero de 2013. Enrique de Jesús Ortiz García, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 29 de enero de 2013. Alfredo Arreola González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 30 de enero de 2013. Dante Ferreyra Méndez, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 5 de febrero de 2013. Jade Melissa Valdez Gómez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Proceso Adaptativo de las funciones de operación de los relevadores de protección”, 6 de febrero de 2013. María Adriana Yañez Nava, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 6 de febrero de 2013. Jesús Gustavo Valenzuela Munguía, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por materias), 7 de febrero de 2013. 63 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Gerardo Rodríguez Garza, Maestría en Ingeniería de la Información, Informática, (Por materias), 12 de febrero de 2013. Luis Ramón Salazar Salinas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, Comercio Exterior, (Por materias), 13 de febrero de 2013. Miguel Angel Hernández Villasana, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 15 de febrero de 2013. Luis Alfonso Infante Rivera, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Cotas Lagrangianas por el problema de ruteo de vehículos en red tio estrella”, 15 de febrero de 2013. Rosa Nelly Serna Pérez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, Relaciones Industriales, (Por materias), 19 de febrero de 2013. Ricardo Angel Villarreal Villarreal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, Producción y Calidad, (Por materias), 20 de febrero de 2013. 64 Claudia Jazmin Ochoa Valdez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de febrero de 2013. Rebeca Morales Franco, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Materiales, “Disminución de la cascarilla de óxido en un AISI 4140 en hornos de recalentamiento”, 21 de febrero de 2013. Carlos José Francisco García Samaniego, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 22 de febrero de 2013. Mauricio Brondo Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 27 de febrero de 2013. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 �Acuse de recibo JOURNAL OF MICROWAVE POWER AND ELECTROMAGNETIC ENERGY MATERIALS PERFORMANCE AND CHARACTERIZATION (MPC) Esta revista trimestral (ISSN 0832-7823) es una publicación del International Microwave Power Institute que se enfoca en áreas de aplicación de las microondas y radiofrecuencia para fines industriales, científicos, médicos y de instrumentación. En el primer número de 2013 (Vol. 47, 1) se presenta un reporte que se refiere a un tipo de alimentos “precocidos” que están preparados para que la cocción final se lleve a cabo mediante microondas y tengan el aspecto de recién hechos. En este trabajo se analiza el perfil térmico alcanzado durante la cocción en dos tipos de hornos de microondas con la intención de determinar si se alcanzan temperaturas que aseguran la eliminación de agentes patógenos, aunque no se confirma ni su presencia antes de la cocción ni su eliminación al final. Otro artículo trata sobre la extracción de aceites a partir de epazote y albahaca utilizando microondas. La revista se publica en línea (www. jmpee.org) por número, y en forma impresa al cierre de cada volumen. Materials Performance and Characterization (MPC) es la nueva revista de la ASTM International en el campo de la ciencia e ingeniería de los materiales. MPC publica artículos de alta calidad en aspectos teóricos y prácticos del procesamiento, estructura, propiedades y desempeño de los materiales utilizados en aplicaciones mecánicas, del transporte, aeroespacial, energía, medicina, etc., incluyendo materiales metálicos, vidrios, cerámicos, polímeros, compósitos, textiles, nanomateriales, etc. Las modalidades de publicaciones son: artículos originales, artículos de revisión (reviews), y notas técnicas. Además, se editan números temáticos especiales, como un número en modelación, simulación y optimización de procesos térmicos. Los artículos aceptados se publican en línea. Mas detalles de la revista MPC pueden ser consultados en la página web: http://www.astm.org/DIGITAL_LIBRARY/ JOURNALS/MPC/ (J. A. Aguilar Garib) (R. Mercado Solis) Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 65 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Ingeniero Mecánico y Maestro en Metalurgia por el Instituto Tecnológico de Saltillo. Doctorado en Ingeniería de Materiales por la UANL (1991). Premio de Investigación UANL en 1991, 2001, 2003 y 2012. Premio TECNOS en el 2000. Es Profesor Investigador de la FIME-UANL, miembro del SNI nivel I y de la Academia Mexicana de Ciencias. Barbosa Saldaña, Juan Gabriel Doctor en Ingeniería Mecánica por la Texas A&M University (2005) en Estados Unidos de América. Es coautor del libro de Termodinámica editado por Grupo Editorial Patria. Es miembro del SNI. Bolarín Miró, Ana María Licenciada en Ciencias Químicas con especialidad en Metalurgia por la Universidad de Barcelona, España (1993) y Doctora en Ciencias Químicas con especialidad en Ciencia de los Materiales Metálicos (1999) por la Universidad de Barcelona, España. Es investigador nacional SNI nivel II y profesorainvestigadora de la UAEH. Cienfuegos Pelaes, René Fabián Ingeniero Mecánico Electricista (1994), maestro en Ingeniería Energética de la Facultad de Ingeniería de la UNAM (1997). Doctorado de la Universidad Paul Sabatier con especialidad en celdas de combustible (2008). Actualmente es profesor-investigador de la FIME-UANL. Cortés Escobedo, Claudia A. Ingeniera Química Industrial y Maestra en Ciencias en Ingeniería Metalúrgica por la ESIQIE-IPN, doctora en Materiales por el CINVESTAV-IPN. Ha sido jefe del Departamento de servicios y desarrollo 66 tecnológico y representante autorizado del CIITECIPN ante la Entidad Mexicana de Acreditación y obtuvo el segundo lugar en el certamen nacional de tesis en energía de nivel doctorado organizado por el IIE. Es profesora investigadora desde el 2006 en el CIITEC-IPN, nivel 1 en el SNI desde 2009. Chávez Guerrero, Leonardo Ingeniero Mecánico Metalúrgico (2001) y Maestro en Ingeniería de Materiales (2004) por la FIME-UANL. Doctorado en Nanociencias y Nanotecnología (2008) por el IPICyT. Postdoctorado en École Nationale Supérieure de Chimie de Paris. París, Francia. Postdoctorado en la Escuela de Química de la Universidad de St Andrews. Escocia, Reino Unido. Actualmente es profesor investigador de la FIME (UANL). Durán Guerrero, José Gabriel Actualmente se encuentra estudiando la carrera de Ingeniería en Materiales en la Universidad Autónoma de Nuevo León. Ha realizado prácticas profesionales en el Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología (CIIDIT), y en la empresa Tenova HYL, en donde se desempeñó en el área de ingeniería y el área de operaciones. Estrada De la Vega, Alejandro Ingeniero Mecánico Administrador en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la U.A.N.L. en la cual también obtuvo su grado de Maestría. En cuanto a la experiencia laboral ha colaborado en diversas corporaciones: Earth Tech México, como practicante del área de ingeniería mecánica; Cedis Soriana, como jefe del área de distribución y logística; AMC, como supervisor de producción del área de moldeo. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 �Colaboradores Actualmente es estudiante de tiempo completo de doctorado del programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la F.I.M.E. – U.A.N.L., en colaboración con el Dr. Marco Antonio Garza Navarro. Investigadores, en nivel Candidato y cuenta con el reconocimiento de perfil deseable para un profesor de tiempo completo avalado por PROMEP. Actualmente es Profesor-Investigador de la FIME-UANL. Figueroa López, Ulises Ingeniero Metalúrgico por la Universidad Autónoma Metropolitana, Maestría en Sistemas de Manufactura y Doctorado en Ciencias por ITESM CEM. Actualmente es profesor investigador del Tecnológico de Monterrey CEM. Pertenece al SNI nivel 1. Guajardo Martínez, Hugo Ingeniero Mecánico Electricista y M.C. en Ingeniería de Materiales de la FIME de la Universidad Autónoma de Nuevo León en 1994 y 1997 respectivamente. Obtuvo su grado de Doctor en Ingeniería de Materiales en la Universidad de Toronto en Canadá en el 2002. Trabaja en FRISA Planta Superalloys a cargo del área de Metalurgia desarrollando forjas de superaleaciones y aleaciones base titanio para Motores de Turbo propulsión. Flores Guerrero, María Elizabeth Instructor en Educación Bilingüe y egresada del Bachillerato Internacional (IB) por la UANL en el 2009. Técnico en Electrónica y Electricidad Industrial por la FIME en 2012. Actualmente es estudiante de licenciatura en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. García Gutiérrez, Domingo I. Ingeniero Físico Industrial del ITESM (2001). Maestro en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2004) y Doctorado en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2006) por la Universidad de Texas en Austin. Posteriormente laboró en el laboratorio de caracterización de procesos del consorcio de investigación y desarrollo de la industria de los semiconductores, SEMATECH, en Austin, Texas (2006-2010). Actualmente es profesor-investigador titular A de la FIME-UANL, miembro del SNI en su nivel 1, cuenta con el reconocimiento de perfil deseable por parte de PROMEP. García Pérez, Ulises Licenciado en Química Industrial por la UANL, Maestro en Ciencias con especialidad en Materiales y Doctor con especialidad en Ingeniería de Materiales por FIME-UANL. Autor de 3 artículos en revistas indizadas. Garza Navarro, Marco Antonio Ingeniero Mecánico Electricista (2004), Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica en Ingeniería de Materiales (2006) y Doctor en Ingeniería de Materiales (2009) por la Universidad Autónoma de Nuevo León. En 2009 recibió el Premio de Investigación de la UANL en el área de Ciencias Exactas. Es miembro del Sistema Nacional de Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 Gutiérrez Torres, Claudia Del Carmen Doctora en ingeniería mecánica por la Texas A&M University (2004) en Estados Unidos de América. Es coautor del libro de Termodinámica editado por Grupo Editorial Patria. Es miembro del SNI. Hinojosa Rivera, Moisés Doctor en Ingeniería de Materiales por la UANL, Postdoctorado en ONERA (Chatillon, Francia). Miembro del SNI nivel I, miembro de la AMC, cuenta con perfil PROMEP, actualmente es el Subdirector de Posgrado de la UANL. Jiménez Bernal, José Alfredo Doctor en Ingeniería Mecánica por la Texas A&M University (2004) en Estados Unidos de América. Es coautor del libro de Termodinámica editado por Grupo Editorial Patria. Es miembro del SNI. Jiménez Martínez, Moisés Candidato a Doctor en Ciencias en Ingenieria Mecánica, licenciatura y maestría en Ingenieria Mecánica por el Instituto Politécnico Nacional. Trabaja como Ingeniero de Pruebas en Volkswagen de México (VWM) siendo especialista de pruebas de durabilidad, ha participado en congresos nacionales e internacionales, es coautor de una patente para la industria petrolera. En 2012 ganó un premio de asistencia a la investigación por parte de la compañía MSC Software Corporation en donde anualmente se seleccionan a 12 personas en el mundo para apoyarlos en su investigación. Juárez Montalvo, Adán Maestro en ciencias en Ingeniería Mecánica por la Sección de Estudios de Posgrado e investigación de 67 �Colaboradores la Esime Zacatenco. Actualmente es estudiante del Programa de Doctorado en Ciencias en Ingeniería Mecánica de la SEPI Zacatenco. López Cuellar, Enrique Ingeniero Mecánico Eléctrico y M.C. en Ingeniería de Materiales de la FIME de la Universidad Autónoma de Nuevo León en 1996 y 1998 respectivamente. Obtuvo su grado de Doctor en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon de Francia en el 2002.Trabaja en área de los materiales funcionales y su caracterización en el Posgrado de FIME y en el CIIDIT de la UANL, y es miembro del SNI Nivel I. Martínez De la Cruz, Azael Licenciado en Química Industrial por la UANL y Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense de Madrid. Actualmente es profesor Investigador de FIME-UANL, ha obtenido 4 premios de Investigación UANL, 2 reconocimientos como asesor de la mejor Tesis de Maestría por la UANL y 3 Premios Nacionales de Investigación. Miembro del SNI, nivel 2. Martínez Trinidad, José Licenciado en Ingeniera Agrícola, UACh, Maestría y Doctorado en Ciencias en Ingenieria Mecánica por el Instituto Politécnico Nacional. Actualmente es profesor investigador de la Sección de Estudios de Postgrado e Investigación de la ESIME Zacatenco. Pertenece al SNI nivel 1. Moreno Cortez, Iván Eleazar Ingeniero Mecánico Administrador (2003), Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2006) y Doctor en Ingeniería de Materiales (2009), por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Es Profesor-Investigador de la FIME-UANL, adscrito al Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales Pérez Patiño, Juan Antonio Ingeniero Electricista Administrador (FIMEUANL-1980), M.C. en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (FIME-UANL-1996). Profesor Titular de la coordinación de la División de Materiales desde 1978 a la fecha (FIME). Jefe del Departamento de Tecnología de los Materiales en FIME (1990-1996), del 2002 a la fecha Coordinador de Proyectos Académicos de la FIME. 68 Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Doctorado en Ingeniería de Materiales (2004) en la Universidad Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Ha obtenido el Premio de Investigación UANL en 1999, 2004, 2009, 2011 y 2012. Es catedrático investigador en la FIME y el CIIDIT de la UANL. Es miembro del SNI nivel I. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Salazar Rodríguez, Alan Josué Es estudiante de la carrera de Licenciatura en Química Industrial de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Samperio Gómez, Iván L. Ingeniero en Ciencia de los Materiales (2008) por la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Actualmente es estudiante del Programa de Doctorado en Ciencia de los Materiales de la misma universidad con el tema de Fabricación de mini-tubos de Ni-8YSZ para su aplicación como ánodos en las celdas de combustible. Sánchez De Jesús, Félix Ingeniero Mecánico-Electricista por la FI-UNAM (1993). Master en Tecnología de Pinturas, Fundación Bosch i Gimpera-Universidad de Barcelona, España (1995). Doctorado en Ciencia de los Materiales Metálicos por la Universidad de Barcelona, España (1999). Profesor- Investigador de la UAEH desde 2000, miembro del SNI nivel 1 y líder del CA-PQFESUAEH, PROMEP Sepúlveda Guzmán, Selene Ingeniera Química por la Universidad Autónoma de Coahuila (1998), Doctorado en Polímeros (2005) por el Centro de Investigación en Química Aplicada. Realizó una estancia posdoctoral en la Universidad de Texas en Austin (2007). Miembro del SNI nivel I. Actualmente Profesor Titular en la FIME-UANL. Villalpando Hernández, Saraí Ingeniero en Física de la División de Ciencias e Ingenierías, Campus León, Universidad de Guanajuato y estudiante de M.C. en Ingeniería de Materiales de la FIME de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 69 �70 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2013 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 16 Número Número de la revista 59 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2013, Año 16, No 59, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2013 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020822 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores CTAB Magnetita Nanopartículas Optimización topológica Sección transversal Técnica PIV https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20781/Ingenierias_2013_Ano_16_No_58_Enero-Marzo.pdf d50e2d360f8feb76da9dea5a051afc63 PDF Text Text �Contenido Enero-Marzo de 2013, Año XVI, No. 58 58 2 Directorio 3 Editorial: Ingeniería y biomateriales Martín Edgar Reyes Melo 9 La dinámica molecular como herramienta para el análisis de la física de la fractura frágil Jorge A. Aldaco Castañeda, Moisés Hinojosa Rivera 19 Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física J. Rubén Morones Ibarra 35 Notarías curriculares 38 International management and knowledge management: 52 Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera contra uno convencional Gabriel Zaid National, transnational, and global levels Lorin Loverde Melvyn Álvarez Vera, Severio Affatato, Geo Rolando Contreras Hernández, Arturo Juárez Hernández, Marco Antonio Loudovic Hernández Rodríguez 63 Localización de fallas en un aerogenerador vía redundancia analítica Patricia Acosta Santana, Efraín Alcorta García, Luis H. Rodríguez Alfaro 70 Eventos y reconocimientos 73 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 76 Acuse de recibo 77 Colaboradores 79 Información para colaboradores Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 1 �Ingenierías, Año XVI, N° 58, enero-marzo 2013. Fecha de publicación: 15 de enero de 2013. Revista trimestral, editada y publicada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/ N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Apartado Postal 076F, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, CP.66451. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de enero de 2013. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P.66450. Número de reserva de derechos al uso exclusivo del título Ingenierías otorgada por el Instituto Nacional del Derecho de Autor: 04-2011-101411064600-102, de fecha 14 de octubre de 2011. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, de fecha 27 de marzo de 2012, concedido ante la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. ISSN: 14050676. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Ingenierías es una publicación trimestral arbitrada, editada por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionales, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. Las opiniones y contenidos expresados en los artículos son responsabilidad exclusiva de los autores. Prohibida su reproducción total o parcial, en cualquier forma o medio, del contenido editorial de este número sin previa autorización. Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. Versión en extenso en internet: http://ingenierias.uanl.mx/ Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2012 revistaingenierias@gmail.com 2 DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector: Dr. Jesús Ancer Rodríguez Secretario General: M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico: Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado: Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura: Lic. Rogelio Villarreal E. Director de Publicaciones: Dr. Celso José Garza Acuña FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Director: M.C. Esteban Báez Villarreal Sub-Director de Estudios de Posgrado: Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Académico: M.C. Arnulfo Treviño Cubero REVISTA INGENIERÍAS Editor Responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, FIME-UANL Redacción: Lic. Julio César Méndez Cavazos CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. 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Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH GRUPO CENTRAL EDITORIAL Tipografía y formación: Gregoria Torres Garay / Jesús G. Puente Córdova / Patricia Garza Garza Traductor científico: Lic. José de Jesús Luna Gutiérrez / Luis Carlos Aguilar Saucedo Indización: Dr. César Guerra Torres / L.Q.I. Sergio A. Obregón Alfaro Diseño: M.A. José Luis Martínez Mendoza Fotografía : M.C. Jesús E. Escamilla Isla Webmaster: Ing. Cosme D. Cavazos Martínez / Ing. Dagoberto Salas Zendejo Impresor: René de la Fuente Franco Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 �Editorial: Ingeniería y biomateriales Martín Edgar Reyes Melo FIME-UANL mreyes@gama.fime.uanl.mx En septiembre de 1991 la Sociedad Europea de Biomateriales (European Society for Biomaterials – ESB), reservó, por decirlo de alguna manera, la palabra biomateriales para aquellos que son utilizados con el objetivo de evaluar, tratar, corregir o reemplazar cualquier tejido u órgano en el cuerpo humano. Bajo este contexto, quedan entonces en segundo término los aspectos que definen las propiedades de los “biomateriales”, tales como su estructura y morfología. Por otra parte, los grandes avances científicos de materiales para aplicación médica, nos muestran una fuerte tendencia hacia el desarrollo de nuevos biomateriales cuya estructura y morfología deben ser similares a la de los materiales biológicos. Aunado a esto, hoy en día es una actividad común en los grupos de investigación científica emular la estructura y morfología de los materiales biológicos, extendiéndose con esto las aplicaciones a otras áreas diferentes a las aplicaciones médicas, como por ejemplo la electrónica orgánica y la robótica, entre otras. Lo anterior trae como consecuencia que de forma recurrente se utilicen los términos “biomaterial” y “material biológico” como sinónimos, ya que la posición del término “bio”, delante o detrás de la palabra material, no debería afectar al significado. De hecho, la diferencia entre biomateriales y materiales biológicos es cada vez más difusa, por lo que el ingeniero en materiales está obligado a estudiar los conocimientos de base que rigen a las propiedades de los materiales biológicos, esto con la finalidad de poder diseñarlos y/o modificarlos acorde a las necesidades ingenieriles. El término material biológico se asocia a materiales que proceden o tienen su origen en un ser vivo. Desde un punto de vista de la estructura y morfología existe una gran diferencia entre los materiales que en un principio la ESB consideraba como biomateriales y los materiales biológicos. En opinión personal, los materiales a los que hace alusión la ESB deberían ser identificados o etiquetados como materiales para aplicaciones médicas o bien como materiales biocompatibles, es decir materiales que son farmacológicamente inertes y que son apropiados para su inclusión en sistemas que potencian o sustituyen las funciones de los órganos y tejidos corporales. Ante la necesidad de reemplazar una parte del cuerpo humano, por lo general los especialistas médicos desecharían la utilización de un “material sintético” como sustituto, en favor de un proceso de trasplante de un tejido compatible de algún donante humano. Sin embargo, la realización de dicho proceso reclama ciertos requisitos de compatibilidad entre el donante y el receptor, por lo que no siempre es posible llevar a cabo dicho trasplante. Debido a lo anterior, en un principio la investigación científica en el área de los “biomateriales” se centró no Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 3 �Ingeniería y biomateriales / Martín Edgar Reyes Melo. solamente en el estudio de las propiedades de los biomateriales, sino también en el desarrollo de materiales de baja reactividad con los tejidos u órganos. En este sentido, el estudio de la característica inerte de los biomateriales constituye aún un objetivo para muchos propósitos, sin embargo debe tomarse en consideración que no existe material alguno que sea completamente inerte al cuerpo humano. Más aún, se admite que no todas las reacciones químicas o bioquímicas entre los biomateriales y el organismo son necesariamente perjudiciales, ya que existen reportes que en varios materiales de implantación se forman enlaces químicos con el tejido circundante, lo que estabiliza al implante realizado. Hoy en día el desarrollo de nuevos biomateriales se beneficia notablemente de los avances de la ciencia de materiales, a manera de ejemplo podemos mencionar el desarrollo de elementos reemplazables para el sistema cardiovascular, poniendo a prueba su biocompatibilidad y su duración de vida útil. Sin embargo, las primeras válvulas mecánicas se fabricaron con acero inoxidable y un material cauchótico a base de silicona; el tiempo de vida útil de estas válvulas era razonable, sin embargo requerían también de un tratamiento anticoagulante para prevenir la formación de coágulos del fluido sanguíneo. Hacia los años 70 se introdujo un nuevo modelo: tejidos animales modificados químicamente, y más recientemente se han diseñado y desarrollado válvulas con carbono pirolítico, para conferirles una mejor resistencia mecánica y mayor compatibilidad con el fluido sanguíneo, disminuyendo con esto la probabilidad de formación de coágulos. Por otra parte, es importante mencionar que de acuerdo con las necesidades del tejido que se desea reemplazar, deberán ser las propiedades del biomaterial a utilizar. Mientras que la mayoría de los biomateriales para el sistema cardiovascular deben ser elásticos y compatibles con el fluido sanguíneo, los biomateriales utilizados para los implantes óseos tienen que ser rígidos y resistentes tanto a cargas mecánicas como a los diferentes procesos de corrosión, entre otros. Además, es deseable que los implantes óseos residan en el hueso, y que no obstruyan el proceso de remineralización, mecanismo mediante el cual el cuerpo repone los niveles de calcio en el hueso. En este sentido, las prótesis metálicas constituyen desde hace tiempo el pilar principal de los ortopedistas, los traumatólogos y los dentistas. Muchos de los implantes dentales, de articulaciones y de huesos están hechos a base de titanio o aleaciones de cromo y cobalto, razón por la cual estas aleaciones según la ESB deben ser consideradas como biomateriales. Por otra parte, se ha demostrado que polímeros reforzados con “fibras de grafito” también pueden desarrollar la funciones de los biomateriales; este tipo de implante parece tener mejor adaptación al hueso, evitándose una pérdida excesiva de tejido óseo en el momento del implante. La comunidad científica también ha abordado el estudio de distintos materiales cerámicos, vítreos y vitro-cerámicos, todos ellos bioactivos (interactivos), es decir que pueden formar enlaces químicos entre su superficie y el hueso adyacente estimulando la formación de tejido óseo nuevo. Actualmente, los materiales cerámicos de fosfato de calcio constituyen los sistemas sintéticos más biocompatibles para la sustitución de piezas dentales. Se ha comprobado que esos materiales cerámicos no provocan respuesta inflamatoria ni de rechazo por parte del organismo, se unen firmemente al hueso, y mediante mecanismos de cementado normal no dificultan la deposición natural de minerales en el hueso circundante. 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 �Ingeniería y biomateriales / Martín Edgar Reyes Melo. Por otro lado, en lo referente a partes no óseas del sistema músculo-esquelético, se han desarrollado nuevos biomateriales que son utilizados en la reparación de ligamentos y tendones, estos biomateriales son fibras elásticas y resistentes que unen respectivarnente, hueso con hueso y el músculo al hueso o al músculo. En lo referente a la piel humana, se han desarrollado trabajos de investigación con polímeros sintéticos, esto con la finalidad de reparar el daño en personas que han sufrido quemaduras graves y de gran extensión. Durante muchos años, los científicos han experimentado con sustitutos poliméricos de piel normal. Estos ejemplos nos indican que el desarrollo de nuevos biomateriales tiene como tendencia emular la estructura y morfología de los materiales biológicos (mimetización de materiales). Sin embargo, para el logro de tal objetivo es fundamental comprender los procesos bioquímicos mediante los cuales son sintetizados los materiales biológicos; en este sentido, los grandes logros científicos nos permiten hoy en día llevar a cabo de una manera precisa la caracterización de la compleja estructura y morfología que definen a las propiedades de dichos materiales. Es bien conocido que los materiales biológicos son el resultado de un largo proceso evolutivo en el que la naturaleza ha diseñado y desarrollado materiales biológicos con propiedades extraordinarias, sin duda más allá de lo que es capaz la actual tecnología. Entre las principales características de los materiales biológicos está su multifuncionalidad; es decir, su composición química así como su estructura y morfología son tales que pueden desarrollar de manera simultánea varias funciones, teniendo también la capacidad de responder de manera sistemática a estímulos externos. A manera de ejemplo tenemos las antenas de los insectos, las cuales presentan una buena resistencia mecánica, pueden autorrepararse, son capaces de detectar información química y térmica, transmitirla a los centros de decisión, y realizar cambios de forma y posición de forma rápida y controlada. La supervivencia en la naturaleza depende de la habilidad para detectar lo que sucede en el exterior, integrar la información, predecir lo que pueda suceder y actuar en consecuencia. Desde un punto de vista del proceso de síntesis, los materiales biológicos son obtenidos mediante procesos que no son agresivos para el medio ambiente; y por lo general se efectúan en medios acuosos, a temperatura ambiente y casi siempre a presión atmosférica, condiciones muy distintas a las utilizadas en la mayoría de los procesos industriales, y además, los materiales biológicos son biodegradables. Los materiales biológicos en su mayoría tienen una estructura de base que es de tipo macromolecular, pudiendo clasificarse en los siguientes grupos: ácidos nucleicos, proteínas, lípidos, y glúcidos. A partir de estos compuestos los seres vivos construyen tanto su sistema estructural, como su sistema fisiológico. Siendo la síntesis de proteínas uno de los procesos fundamentales en la producción de material biológico. Los seres humanos tenemos alrededor de 40,000 proteínas diferentes, dato obtenido a partir de los resultados del proyecto del genoma humano. Las proteínas son macromoléculas constituidas de unidades llamadas aminoácidos. Si bien el número de aminoácidos que forman una proteína es variable, cada proteína tiene, en promedio, unas 300 unidades repetitivas y se conocen 20 aminoácidos diferentes en las proteínas humanas. Los aminoácidos Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 5 �Ingeniería y biomateriales / Martín Edgar Reyes Melo. se unen mediante enlaces covalentes formando largas cadenas poliméricas y pueden combinarse de formas muy variadas, lo que se traduce en estructuras y morfologías muy complejas. Dependiendo de su estructura y morfología, las proteínas pueden llevar a cabo funciones estructurales, o bien funciones de catalizadores biológicos (enzimas). Entre las proteínas de tipo estructural tenemos como ejemplo al colágeno, proteína que forma parte de los huesos, cartílagos, tendones y ligamentos. También las venas, vasos sanguíneos y arterias están constituidos por este tipo de proteínas llamadas también elastinas. Las queratinas son otro ejemplo de proteínas estructurales y forman una parte fundamental de nuestras uñas, piel y pelo, así como de las plumas de las aves o la lana de las ovejas. En lo referente a las enzimas, su principal función es controlar la velocidad de las reacciones bioquímicas de los organismos. De no existir las enzimas la vida no sería posible. Por ejemplo, la digestión de una galleta sin la presencia de la enzima amilasa, tardaría tanto tiempo que no sería aprovechable. Las enzimas pueden acelerar la velocidad de las reacciones hasta 100,000 veces. Son las enzimas, por supuesto, los catalizadores involucrados en los procesos de síntesis de todos los diferentes tipos de materiales biológicos, si consideramos que las enzimas son muy específicas en cuanto a las reacciones que son capaces de catalizar, podemos imaginarnos entonces el gran número de enzimas diferentes que se necesitan para la síntesis de los diferentes tipos de materiales biológicos. Si queremos emular la estructura y morfología de los materiales biológicos, requerimos entonces comprender el proceso de síntesis en cuestión, a manera de ejemplo demos un vistazo al proceso de síntesis de las proteínas. Este proceso de síntesis se encuentra almacenado en forma codificada en los ácidos nucleicos (ácido desoxirribonucleico-ADN y ácido ribonucleico-ARN). Por lo que la primera etapa de la síntesis de proteínas consiste en decodificar dicha información para poder ser utilizada por la célula, ya que el ADN como tal tiene una participación muy pobre en el funcionamiento de los organismos: es decir los genes no transportan oxígeno y no catalizan reacciones para obtener energía, lo hacen las proteínas que se sintetizan a partir de dichos genes. Los genes que formarán proteínas se denominan genes estructurales, se transcriben y se traducen, produciendo ARN mensajero (ARNm). No obstante, no todos los genes almacenan información para sintetizar proteínas, algunos se transcriben pero no se traducen dando lugar a moléculas de ARN ribosomal (ARNr) y ARN transferente (ARNt), que son colaboradores del proceso de síntesis proteica. Además, existen secuencias génicas reguladoras, que ni se transcriben ni se traducen, pero son de gran importancia ya que actúan como signos de puntuación, indicando dónde se debe comenzar a transcribir el gen y dónde debe finalizar la lectura. En 1970, Francis Crick enunció el Dogma Central de la Biología Molecular (ver figura 1): De manera que la información genética contenida en el ADN se mantiene mediante su capacidad de replicación. La información contenida en el ADN se expresa dando lugar a proteínas, mediante los procesos de transcripción, paso por el que la información se transfiere a una molécula de ARNm y, mediante el proceso de la traducción el mensaje transportado por el ARNm se traduce a proteína. 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 �Ingeniería y biomateriales / Martín Edgar Reyes Melo. Fig. 1. Esquema de la propuesta inicial de Crick para el proceso de síntesis de las proteínas. Este esquema central de flujo de la información fue modificado (ver figura 2), ya que en algunos virus cuyo material hereditario es ARN, la información se mantiene mediante replicación del ARN. Además, también se ha comprobado que la información no va siempre del ADN hacia el ARN (ADN→ARN), en algunos casos se puede sintetizar ADN tomando como molde el ARN (ARN→ADN), es decir, teniendo lugar el fenómeno de la transcripción inversa. Fig. 2. Esquema modificado de la propuesta de Crick. El esquema de la figura 2 nos muestra de una manera muy general el proceso de síntesis que debemos emular para obtener un material biológico de tipo proteico, por supuesto que cada proteína en particular tendrá detalles particulares, esto último, hace muy difícil emular un proceso biológico por completo. En la figura 3 se presenta de manera esquemática cómo se sintetizan las proteínas al interior de una célula y de qué manera se sintetizan la mayor parte de los materiales biológicos que constituyen a los tejidos u órganos en seres vivos multicelulares. Fig. 3. Esquema de la biosíntesis de proteínas en un organismo unicelular. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 7 �Ingeniería y biomateriales / Martín Edgar Reyes Melo. Por todo lo anteriormente mencionado, podemos establecer que comprender las reacciones bioquímicas involucradas en la síntesis de los materiales biológicos es primordial para el desarrollo de nuevos biomateriales, siendo este aspecto un punto débil en la formación de ingenieros en materiales, ya que el estudio de biomateriales se limita a aquellos materiales de origen no biológico que por su baja reactividad química con el cuerpo humano pueden ser utilizados como parte de implantes. Esto último, debe interpretarse como que las Universidades o Instituciones de Educación Superior formadoras de recursos humanos en el área de ingeniería de materiales deberán tomar en cuenta el desarrollo de habilidades o competencias relacionadas con los procesos de síntesis, así como con el uso y manejo de los materiales biológicos, para lo cual es necesario considerar en los programas educativos, las ciencias básicas correspondientes, es decir la biología, la bioquímica y la biología molecular, lo que a su vez le permitiría comprender importantes aspectos de biotecnología y/o de la bioingeniería. Esto sin duda fortalecería la capacidad innovadora de los ingenieros en materiales, ya que se desarrollarían determinadas habilidades que permitan emular la estructura y morfología que caracterizan a los materiales biológicos no solamente para aplicaciones médicas, sino expandir sus aplicaciones a otras áreas de la ingeniería. 8 Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 �La Dinámica Molecular como herramienta para el análisis de la física de la fractura frágil Jorge A. Aldaco Castañeda, Moisés Hinojosa Rivera FIME, UANL jaldaco@gama.fime.uanl.mx, hinojosa@gama.fime.uanl.mx RESUMEN Se discuten algunos elementos del origen y estado del arte del uso de la Dinámica Molecular (DM) como herramienta para el estudio de la física de la fractura a nivel atómico. La DM permite elaborar modelos computacionales para analizar el proceso de propagación de grietas a escalas difícilmente accesibles mediante la experimentación convencional, lo que posibilita obtener datos numéricos referentes a la evolución de una fractura frágil o dúctil, con la finalidad de cotejar lo establecido en modelos teóricos con lo detectado en experimentos, o también para especular sobre bases científicas firmes acerca de comportamientos aún no revelados en experimentos. PALABRAS CLAVE Dinámica molecular, física de la fractura, propagación de grietas, fractura frágil. ABSTRACT We discuss some elements about the origin and the state of the art on the use of Molecular Dynamics as a tool for the study of the atomistic physics of fracture. Using Molecular Dynamics it is possible to elaborate computer models to analyze the process of crack propagation at scales that are not necessarily accesible in conventional experiments, this allows to obtain numerical data about the evolution of both brittle and ductile fracture, with the aim of comparing with what is established on theoretical models and experimental results, it is also possible to speculate, on sound scientific grounds, about behaviors not yet revealed in experiments. KEYWORDS Molecular dynamics, physics of fracture, crack propagation, brittle fracture. INTRODUCCIÓN Está claro que el fenómeno de la fractura es complejo, no lineal y multiescalar y tiene su origen a nivel atómico y subatómico. El estudio de la física de la fractura debe por lo tanto considerar los fenómenos que ocurren a nivel atómico, empleando herramientas propias como la Dinámica Molecular, en lugar de usar adaptaciones de modelos para escalas macroscópicas. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 9 �La Dinámica Molecular como herramienta para el análisis de la física de la fractura frágil / Jorge A. Aldaco Castañeda, et al. Los modelos clásicos existentes tienen limitaciones evidentes. A nivel dinámico, por ejemplo, se predicen velocidades de propagación de grietas que en la práctica no se manifiestan. A nivel morfológico, en general los modelos en escalas macro y mesoscópicas fracasan en su intento de reproducir los patrones y morfologías que se registran en los estudios fractográficos. Aún las trayectorias de las grietas en medios bidimensionales, con sus características de autoafinidad, no se pueden reproducir usando métodos convencionales. En este trabajo de divulgación nos proponemos discutir algunos de los aspectos que configuran el estado del arte en este importante y fascinante tema y se abordan a manera de ejemplo el análisis por Dinámica Molecular (DM) del fenómeno de la fractura frágil. ORÍGENES DE LA DINAMICA MOLECULAR En las décadas de los 1950 y 1960, con el advenimiento de las computadoras electrónicas se abrió la posibilidad de realizar cálculos complejos en tiempos razonables y por lo tanto se pudo evitar el tener que simplificar los modelos existentes.1,2 Comenzaron a multiplicarse las áreas de aplicación de las simulaciones computacionales, aunque en el campo de los materiales éstas fueron vistas con ciertos prejuicios por parte de algunos físicos. Sin embargo, esas reticencias iniciales fueron cediendo con base en los resultados obtenidos, tanto así que hace algunos pocos años Galison1 estableció que “Sin simulaciones basadas en cómputo, la cultura de la microfísica de los materiales en la parte final del siglo XX no sería solamente inconveniente – ésta no existiría”.3 Enfocados en el área de la física de los materiales, se tiene que los algoritmos computacionales pueden agruparse en al menos cinco categorías:1,4 Aproximaciones Monte Carlo,2 Dinámica Molecular (o atómica),2 Aproximaciones Variacionales,4 Cálculo de Desarrollo de Parámetros (Pattern development calculation)4 y Elementos Finitos.5 El término Dinámica Molecular (DM) se utiliza para describir la solución de las ecuaciones clásicas de movimiento (ecuaciones de Newton) para un conjunto de moléculas (o de átomos). Ésta se utiliza tanto para analizar sistemas en equilibrio (potenciales o fuerzas impulsoras balanceadas dentro del sistema)6 como 10 para aquellos fuera de equilibrio (potenciales o fuerzas impulsoras desbalanceadas dentro del sistema).6 Las primeras simulaciones por Dinámica Molecular en equilibrio fueron reportadas en 1956 por Alder y Wainwright2,7 en Livermore, ellos estudiaron la dinámica de un conjunto de esferas duras. El primer análisis de DM para un material “real” fue reportado en 1959 (publicada en 1960) por el grupo liderado por Vineyard y Brookhaven,2,8 quienes estudiaban el daño por radiación en cobre cristalino. El primer análisis por DM de un líquido real fue reportado en 1964 por Rahman y Argonne.2,9 Los métodos de DM fuera de equilibrio aparecieron al comienzo de los 1970s10 con la idea de medir coeficientes de transporte (coeficiente de difusión, conductividad térmica,…). En estos se aplica una fuerza externa al sistema para establecer la situación de no equilibrio de interés, y entonces se determina la respuesta del sistema a dicho estímulo. EL MÉTODO La metodología de las simulaciones computacionales por DM se ha refinado desde entonces, aunque cabe mencionar que los algoritmos básicos apenas han cambiado desde los 1950s.2 Los pasos principales en una simulación de DM son:11 1) Especificar el sistema de átomos o moléculas, lo cual incluye el modelo de las interacciones moleculares o atómicas, el modelo de las interacciones ambiente-sistema, y el desarrollo de ecuaciones de movimiento. 2) Resolver las ecuaciones de movimiento para generar las trayectorias moleculares o atómicas. 3) Analizar las trayectorias para obtener las propiedades de interés. Enseguida se discuten brevemente algunos de los aspectos relacionados con esos pasos, principalmente para el análisis fuera de equilibrio: • Las interacciones moleculares se representan a través de la energía potencial. Una aproximación muy utilizada consiste en descomponer la energía potencial en términos que involucran las interacciones de pares o tripletes de átomos. Estos potenciales comúnmente parten de una formulación empírica, tal como el potencial de Lennard-Jones12 (figura 1), desarrollado para Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �La Dinámica Molecular como herramienta para el análisis de la física de la fractura frágil / Jorge A. Aldaco Castañeda, et al. Fig.1. El potencial de Lennard-Jones fue propuesto por John Lennard-Jones en 1924. Se utiliza para la descripción de las interacciones moleculares en un gas, que se dan como resultado de las colisiones entre las moléculas del mismo, sin que se presuma la formación de un enlace químico.13 el análisis del comportamiento a nivel atómico en gases nobles. Otros enfoques para calcular las formas de los potenciales interatómicos de diferentes tipos de átomos provienen de los llamados primeros principios,1 donde se parte de simplificaciones de la ecuación de Schrödinger para obtener soluciones aproximadas, ya que ésta no puede resolverse de manera precisa para átomos complejos.1 • Las interacciones ambiente-sistema involucran, en parte, lo relacionado con las condiciones de frontera. La selección de estas condiciones depende de la situación física que se desea simular,11 por ejemplo: Si se pretende simular un sistema perfecto infinito, se pueden utilizar condiciones de frontera periódicas (figura 2); si se quiere estudiar el comportamiento de las partículas cercanas a las paredes reales de un contenedor, se pueden usar condiciones de frontera rígidas. • Las ecuaciones de movimiento en simulaciones fuera de equilibrio tienen la siguiente forma:10 q� = p / m + Ap ⋅ f (T ) (1) p� = F− Aq ⋅ F (t ) (2) donde: q� ⇒ Derivada de las coordenadas Cartesianas de cada átomo en el sistema con respecto al tiempo. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 Fig. 2. Esquema de la condición frontera periódica. El volumen del sistema se representa por la celda central, el concepto de esta condición es que cuando una partícula sale del sistema por la derecha, reaparece por la izquierda. Se puede pensar en esta condición como el tener cajas de simulación idénticas rodeando el sistema. p ⇒ Momento atómico. m ⇒ Masa atómica. F (t) ⇒ Componente vectorial 3N, que representa un campo dependiente del tiempo aplicado a cada átomo y en cada una de las direcciones. N es el número de átomos o partículas. Ap y Aq ⇒ Funciones de las posiciones y de los momentos de las partículas que describen la manera en que el campo interactúa con los átomos. p� ⇒ Derivada del momento atómico con respecto al tiempo. F ⇒ Fuerza en el átomo (ésta se obtiene de la derivada de la energía potencial). Básicamente, estas expresiones describen la dinámica de los átomos, en términos de velocidad (Ec. 1) y aceleración (Ec. 2), como respuesta a un estímulo externo y en función de las interacciones o influencias de los átomos vecinos, manifestadas por el potencial utilizado. • Integración de las ecuaciones de movimiento: Esto se hace a través de varios algoritmos: el de Verlet,14 el predictor-corrector de Gear,15 y el método Leap Frog,16 entre otros. De estos, de 11 �La Dinámica Molecular como herramienta para el análisis de la física de la fractura frágil / Jorge A. Aldaco Castañeda, et al. acuerdo a Allen y Tildesley,10 el más adecuado para integrar ecuaciones de movimiento en las que la velocidad aparece en el lado derecho (como usualmente sucede en las ecuaciones de movimiento fuera de equilibrio) es el predictorcorrector de Gear.15 La idea básica de éste es usar la información de la posición de las partículas y sus primeras n derivadas en el tiempo t para predecir la posición y sus primeras n derivadas en el tiempo t + Δt. Luego, se calculan las fuerzas (éstas se obtienen de la derivada de la energía potencial), las aceleraciones y las velocidades, ecuaciones (1) y (2), utilizando las posiciones predichas. Debido a que las velocidades y aceleraciones calculadas no son iguales a las predichas, se realiza una corrección en las predicciones. Con ese ajuste se optimizan los estimados previos de las posiciones y las primeras n derivadas en el tiempo t + Δt (figura 3), en dicha mejora se emplean algunos coeficientes (cuyo valor depende del número de derivadas empleadas y del orden de las ecuaciones diferenciales a resolver)10 que ayudan a estabilizar las trayectorias. XP X t Solución exacta XC t+δt XE Fig. 3. Esquema que describe de manera simple el método predictor-corrector de Gear. X es la posición de la partícula en el tiempo t, XP es la posición predicha de la partícula en el tiempo t+δt, XC es la posición corregida de la partícula en el tiempo t+δt, y XE representa la posición exacta de la partícula en el tiempo t+δt. • Propiedades de interés: En función del número de átomos involucrados y de la frecuencia con que se recopilan los resultados, los algoritmos de DM proporcionan grandes cantidades de datos referentes a las posiciones atómicas y sus derivadas, y sobre las fuerzas en los átomos y sus energías potenciales. Entonces se pueden calcular: energías cinéticas, la temperatura, los esfuerzos y las deformaciones atómicas,17 entre otras características (figura 4). 12 Fig. 4. Imagen que muestra las magnitudes de los esfuerzos atómicos17 en una muestra simulada de silicio sometida a tensión, en ésta se presentó la propagación de una grieta. La imagen se generó a los 2000 pasos de tiempo.18 APLICACIÓN AL FENÓMENO DE LA FRACTURA La DM es una herramienta ideal para analizar, entre otros fenómenos, la física de la fractura de materiales, ya que en términos simples una fractura es un proceso de ruptura de enlaces interatómicos, y esto se podría “ver” y seguir mediante una simulación basada en DM (figura 4). Sin embargo, los resultados obtenidos pueden generar dudas debido a que las escalas de longitud y de tiempo que se manejan en las simulaciones son muy diferentes de las que se tiene acceso en los experimentos,19-21 además, las propiedades mecánicas de los materiales en pequeñas dimensiones pueden ser muy diferentes de las que presentan los materiales macroscópicos empleados en la mayoría de las muestras experimentales, aunque tengan la misma composición.1 En la modelación y simulación por DM en general, y particularmente cuando se aplica al estudio de la fractura, el problema de la validación es particularmente delicado. Para validar simulaciones de DM se requiere la comparación de resultados de la simulación con resultados experimentales, estos últimos no siempre están disponibles y se tiene que recurrir a deducciones indirectas, sin embargo se acepta22 que para la validación deben abordarse los siguientes aspectos: la calidad de la teoría o modelo empleado, la precisión del potencial usado, la Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �La Dinámica Molecular como herramienta para el análisis de la física de la fractura frágil / Jorge A. Aldaco Castañeda, et al. frecuencia de muestreo y el grado de convergencia logrado en la simulación, además de la calidad del software empleado y su adecuado uso. Pero aun con dudas como las mencionadas, las simulaciones de DM fuera de equilibrio se empezaron a usar en 1976 para analizar la física de la fractura. Los pioneros fueron Ashurst & Hoover,23 en sus simulaciones manejaron típicamente tiras (strips) periódicas de 32 átomos de altura y 512 átomos totales, que interactuaban a través de una ley de fuerza bilineal (figura 5). En sus muestras embebieron una grieta, de longitud finita, normal a la dirección de deformación tensil (esto se conoce como carga en modo I), pero como sus strips eran muy estrechas no pudieron evitar que las ondas de sonido se reflejaran desde las superficies libres o sujetas, o que se transmitieran a través de las fronteras periódicas; a causa de esto la fractura no presentó las características de la propagación de una grieta en una muestra infinita. Sin embargo, mucho se aprendió acerca de la fractura, tal como Fig. 5. Esquema que representa la red triangular de empaquetamiento compacto con 512 partículas utilizada por Ashurst & Hoover.23 En las 32 partículas de las fronteras superior e inferior aplicaron una fuerza constante y en las fronteras laterales utilizaron una condición de frontera periódica. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 que la grieta se aceleraba rápidamente alcanzando un valor límite en la velocidad de estado estable. Además, y en concordancia con los resultados de los experimentos, la velocidad límite resultante era mucho menor que la predicha por la teoría elástica continua (a esta última se le conoce como la velocidad de onda de Rayleigh, cR). Este trabajo se volvió un punto de referencia, porque por primera vez dentro de la comunidad de la fractura se discutía el origen atomístico de la propagación de la grieta, pues en anteriores discusiones dominaba el punto de vista del continuo. De ahí en adelante, cada vez en mayor medida, empezaron a surgir investigaciones en la fractura de materiales que utilizaban análisis y simulaciones de DM. Éstas se fueron desarrollando con dos distintos enfoques: 24 Identificar al nivel más simple los mecanismos básicos de la fractura, o bien, determinar resultados en el nivel más alto posible de precisión para un material en particular. Con relación al segundo enfoque se discuten enseguida los antecedentes del análisis por DM en la fractura de silicio. Cabe preguntarse ¿por qué silicio? Porque este material semiconductor25 es considerado frágil,21 lo que anticiparía que durante la ruptura de enlaces no se presentaría deformación plástica. Así, entre estudios por DM realizados en este material destacan las de Holland et al.,26 en estos emplearon un potencial interatómico StillingerWeber (SW)27 para corroborar los postulados de un modelo teórico llamado modelo de red28 (en este modelo se menciona, entre otros planteamientos, que la grieta al propagarse en estado estable deja tras de sí superficies atómicamente planas). También sobresalen los trabajos de Pérez et al.,29 quienes basados en un pseudopotencial de energía total30 observaron la anisotropía del clivaje (esta característica fue previamente revelada en experimentos);31 igualmente resaltan las de Bernstein & Hess,32,33 ellos manejaron diferentes potenciales interatómicos mostrando la relevancia de los mismos en la propagación de la grieta, ya que se podía tener un comportamiento dúctil o frágil dependiendo del potencial utilizado; asimismo despuntan los realizados por Swadener et al.,34 quienes percibieron que en muestras muy pequeñas se daba la influencia de las fronteras en la propagación de la grieta, 13 �La Dinámica Molecular como herramienta para el análisis de la física de la fractura frágil / Jorge A. Aldaco Castañeda, et al. pero además detectaron que tanto la morfología de las superficies fracturadas como los cambios en la estructura cristalina eran función de la tasa de liberación de energía (G). Del mismo modo se distinguen las simulaciones de Buehler et al.,35 ellos detectaron que los cambios cercanos a la punta de la grieta en la estructura cristalina se pueden manifiestar en la velocidad instantánea de la punta de la grieta (esta característica aún no ha sido vista de forma experimental); Aldaco e Hinojosa18 implementaron en muestras nanométricas una condición de frontera de reciente formulación,36 lo cual permitió observar, como resultado de la propagación de la grieta, superficies lisas en los planos de clivaje y rugosas en los planos de no clivaje, así como altas velocidades promedio de propagación de la grieta en los planos de clivaje y bajas en los planos de no clivaje, siendo estas características similares a las que se han reportado en muestras más grandes utilizadas en simulaciones21,33,34 y en experimentos.37-40 Más adelante se desglosa la metodología general de este último trabajo, 18 en tanto que una explicación más amplia se tiene en el propio artículo18 y en la tesis41 que generó dicho trabajo. Sin embargo, aun con resultados como los anteriormente mencionados en la fractura frágil, todavía existen hechos que carecen de explicación. Entre esos hechos se encuentra la existencia de una aparente velocidad terminal de la grieta muy inferior a la velocidad de onda de Rayleigh en el vidrio y en algunos otros materiales muy frágiles (incluyendo silicio),34, 42-46 la inestabilidad dinámica de la punta de la grieta,19, 24, 35, 42-50 la bifurcación simétrica de una grieta que originalmente se propaga rápidamente de forma recta en un campo tensil, la influencia del calor generado durante la fractura rápida en el proceso de separación o en la distribución de esfuerzos,44 etcétera.51 Algunos investigadores46 han comentado que las simulaciones computacionales son una herramienta idónea para seguir buscando explicaciones a esos eventos que aún siguen sin comprenderse, sobre todo si se utilizan para diseñar los experimentos que validen el método. Esta línea de investigación es muy dinámica y actualmente entre las tendencias del análisis por DM 14 de la fractura frágil se encuentran la formulación de potenciales y sus parámetros,35 el planteamiento de nuevas e ingeniosas condiciones de frontera, el uso eficiente de cómputo paralelo, el perfeccionamiento de métodos de acoplamiento de modelos continuos con modelos moleculares (figura 6),52 el manejo de millones de átomos,53 entre otros. Fig. 6. Esquema manejado en 52 para ilustrar la intercesión entre los dominios de un modelo continuo y de un modelo atómico. POTENCIALES INTERATÓMICOS Y CONDICIONES PARA UN ANÁLISIS POR DM Nuestra experiencia con la DM se da al abordar un modelo de silicio preagrietado sometido a tensión uniaxial, bajo altas tasas de deformación (≈ 3.9 × 1011 s-1). Ésta permitió generar y caracterizar la fractura dinámica de las muestras modeladas. Para representar el comportamiento de los átomos en las muestras sólidas modeladas se manejaron tres potenciales interatómicos,27, 21, 54 de entre más de 30 potenciales reportados21 para el silicio, con la finalidad de estudiar la influencia de estos en la propagación de la grieta, obteniendo tanto propagación dúctil como frágil dependiendo del potencial utilizado, concordando en este punto (influencia del potencial en el tipo de fractura) con lo percibido en estudios similares por Abraham et al.55 y por Bernstein et al.32, 33 Cabe mencionar que los potenciales utilizados han sido reportados con diversas y bondadosas cualidades, por ejemplo el primer potencial manejado (el llamado Stilliger-Weber (SW)56) se ha mencionado21 que representa excelentemente las propiedades elásticas de las muestras y que captura Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �La Dinámica Molecular como herramienta para el análisis de la física de la fractura frágil / Jorge A. Aldaco Castañeda, et al. bien la física no lineal involucrada en el calentamiento y la fusión, el segundo de los potenciales utilizados (una modificación al SW21) ha sido manejado en otras simulaciones de la fractura21 y una de sus características es que aumenta la estabilidad de los tetraedros que conforman la estructura cristalina fcc tipo diamante que presenta el silicio, el tercer potencial (también una modificación al SW54) se dice que genera un mejor acuerdo de los valores del módulo volumétrico y de las relaciones de dispersión de fonones, lo cual da una mejor descripción de la dinámica de la red cristalina. De entre las diversas condiciones frontera que suelen emplearse en la DM11, 57, 26 se utilizaron dos, a lo largo del frente de grieta se aplicó una condición periódica que generaba una situación de deformación plana.58 En tanto que en la periferia de las muestras se empleó una celda amortiguadora que manejaba una relativamente reciente formulación de condición frontera,36 esta última (de acuerdo a los investigadores que la postularon) previene la reflexión de ondas por parte de los átomos ubicados en las fronteras del sistema, y ya que durante la fractura se esperaba que se generaran vibraciones debido a la ruptura de los enlaces interatómicos se decidió emplear esta condición, pues en el trabajo no se deseaba analizar el efecto de las vibraciones en la propagación de la grieta. En cuanto a las ecuaciones de movimiento (tipo las ecuaciones 1 y 2) que pudieran generar la propagación de la grieta se seleccionaron las propuestas por Zhou et al.,24 ya que éstas permiten modelar una expansión homogénea de las muestras, sin control de la temperatura, en una dirección normal a las caras iniciales de la pregrieta. Éstas favorecerían el inicio de la fractura y su consecuente propagación. En lo que respecta al intervalo de tiempo se implementó un valor del orden de 1 femtosegundo, un valor similar fue manejado por Holland et al.21 pues conserva bien la energía. Además, se manejaron tres diferentes orientaciones de la estructura cristalina para que la grieta tuviera diferentes escenarios de propagación. Igualmente, a las muestras se les realizaron muescas horizontales (removiendo átomos) con el objetivo de propiciar la propagación de la fractura. Asimismo, antes de deformar las muestras se desarrollaron simulaciones Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 de DM canónicas para asignar diferentes temperaturas iniciales a las muestras. Listas las muestras (con cerca de 4000 átomos) se aplicó la DM fuera de equilibrio a través de la integración de las ecuaciones de movimiento, esto se hizo aplicando el algoritmo Gear predictor-corrector. Los elementos anteriores se programaron utilizando el lenguaje Fortran y durante la ejecución de esos programas se recabaron, cada 500 pasos de tiempo, datos de posición, energía, deformación y esfuerzos a nivel atómico.17 Posteriormente, a esos tres últimos tipos de datos se les dio un tratamiento en el que se les agrupaba, según las magnitudes de sus valores, para asignarles diversos colores característicos con el propósito de obtener una mejor visualización en Xmakemol59 de los fenómenos. Adicional a esto, se calculó la velocidad promedio de la grieta,38 así como la velocidad instantánea de la punta de la grieta.24 Entre algunos de los resultados obtenidos (aparte de los previamente mencionados) se tuvo que la velocidad máxima promedio calculada fue ≈ 2 km/s en el plano de clivaje, en los planos de no clivaje se apreció que la grieta se aceleraba y desaceleraba de forma cuasi oscilatoria (este escenario se manifestó también como una cierta rugosidad en las superficies de fractura), y además se detectó la influencia de los componentes tensoriales del esfuerzo en la trayectoria de la grieta (figura 4). COMENTARIOS FINALES La dinámica molecular fuera de equilibrio y el diseño de programas computacionales como herramienta han encontrado un nicho en la física de la fractura frágil de los materiales, debido principalmente a que la naturaleza de ésta permite estudiar la evolución del proceso de ruptura de enlaces interatómicos y se puede por lo tanto explorar el comportamiento a escalas y regímenes que rebasan los límites de las teorías clásicas de la fractura (por ejemplo la teoría de Griffith y los postulados del medio continuo) y en algunos casos de la experimentación actual. Por ejemplo ¿qué sucede en la vecindad de la punta de una grieta cuando ésta se propaga?, es precisamente esta cuestión la que origina el uso de la 15 �La Dinámica Molecular como herramienta para el análisis de la física de la fractura frágil / Jorge A. Aldaco Castañeda, et al. DM para el estudio del fenómeno de la dinámica de la fractura frágil. Así, se ha logrado verificar algunos aspectos establecidos en modelos teóricos, también se ha conseguido reproducir hechos encontrados en experimentos, pero sobretodo, se ha podido predecir comportamientos de la fractura aún no verificados en experimentos, esto último debido a la imposibilidad actual para caracterizar detalladamente la fractura dinámica de materiales frágiles en escalas nanométricas. Dado el dinamismo en este campo, motivado tanto por la importancia del tema como del creciente poder de cómputo y otros factores, la DM permitirá sin duda en un futuro cercano contar con capacidad de simulación multiescalar que permita una mejor comprensión de los fenómenos de nucleación y propagación de grietas que resultan en los complejos y muy conocidos, pero no explicados, patrones característicos de las superficies de fractura en diversos materiales. REFERENCIAS 1. Robert W. Cahn, The Coming of Materials Science, Elsevier Science Ltd., (2001). 2. 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Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física J. Rubén Morones Ibarra Posgrado de FCFM-UANL rmorones@fcfm.uanl.mx The New York Times 10 noviembre 1919 RESUMEN En este artículo se mencionan algunos de los logros de la física teórica y la manera en la que las teorías físicas se formulan matemáticamente. Se hace un recuento de importantes predicciones teóricas y de sus confirmaciones experimentales. Se concluye presentando algunos de los retos actuales de la física teórica y los esfuerzos para encontrar respuestas y soluciones a los problemas planteados. PALABRAS CLAVE Física teórica, ciencia, retos, demostraciones, simetrías en la física. ABSTRACT In this paper are introduced some of the achievements in theoretical physics and the way in which the physics theories are mathematicaly formulated. A list of relevant theoretical predictions and their experimental confirmations are included. Some of the actual challenges in theoretical physics are remarked and the work that is doing in order to find answers to these questions. KEYWORDS Theoretical physics, science, challenges, demonstrations, symmetry in physics. INTRODUCCIÓN La física se divide en dos grandes campos: la física teórica y la física experimental. La física teórica la constituyen un conjunto de ecuaciones y métodos matemáticos que permiten describir los fenómenos del mundo físico, es decir, los procesos que ocurren en la materia. Para su estudio la física teórica recurre a los modelos matemáticos, por esto es también llamada física matemática. La física teórica busca formular teorías y leyes, con lo cual se logra predecir lo que ocurrirá en los experimentos. La primera ecuación asociada a un fenómeno físico fue elaborada por Galileo. Con esta ecuación predecía la posición de un cuerpo en caída libre como función del tiempo. Cuando un cuerpo se suelta desde el reposo recorre una distancia vertical 2 1 s cuyo valor está dado por s = 2 gt , donde g es la aceleración de la gravedad y t es el tiempo. Esta ecuación obtenida por Galileo se estudia hoy en el nivel de secundaria como parte de los ejercicios de cinemática de la caída libre. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 19 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra El comandante David Scott durante la misión Apollo 15, realizando la demostración de las conjeturas de Galileo sobre la simultánea caída libre de objetos en el vacío. http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/lunar/apollo_15_feather_drop. html Posteriormente, Isaac Newton a quien se le considera el primer físico teórico, descubrió las leyes del movimiento y de la gravitación universal, expresando éstas mediante relaciones matemáticas que constituyen hoy en día la Mecánica Newtoniana. Después vendría otro gran físico teórico, Clerk Maxwell, quien logró la unificación de la electricidad y el magnetismo en su gran obra sobre la teoría electromagnética. En la actualidad los campos fundamentales de la física teórica son: La mecánica analítica, la electrodinámica clásica, la teoría de la relatividad, la teoría cuántica, y la física estadística. Extensiones de estas teorías y combinaciones de ellas dan como resultados la teoría cuántica relativista de campos y otras teorías que pretenden unificar todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los físicos teóricos contemporáneos emplean métodos matemáticos muy sofisticados, inventando algunas veces nuevas matemáticas de acuerdo con sus necesidades. Recordemos que Newton inventó el cálculo infinitesimal para realizar los cálculos que necesitaba. Debido a la gran complejidad de los métodos matemáticos usados actualmente por los físicos, se ha llegado a situaciones en donde las predicciones van más allá de lo que la tecnología actual puede explorar mediante experimentos. En este caso las teorías se quedan sin soporte fenomenológico, como el caso de la teoría de cuerdas, sobre las estructuras fundamentales de la materia, que pretende ser una teoría del todo y donde todas las partículas fundamentales resultan ser manifestaciones de la vibración de pequeñas cuerdas.1 20 En campos muy abstractos de la física teórica como es el caso de la física de partículas elementales, el primer problema es el de identificar los parámetros importantes, aquéllos que nos permiten describir los fenómenos que observamos en el laboratorio. En los modelos matemáticos lo que nos preocupa es expresar las ecuaciones en términos de los grados de libertad adecuados que nos proporcionen cantidades medibles que nos permitan someter a la teoría a la prueba experimental. En uno de los ejemplos que incluiremos en este artículo para estudiar la materia nuclear resulta que una analogía con los sistemas de materia condensada nos permite identificar a las partículas propagándose en el medio nuclear con el equivalente en la propagación de modos colectivos en la materia condensada. Estos modos colectivos son los fonones, los cuales son generados por desplazamientos en el arreglo de los átomos en una estructura cristalina. En la materia nuclear estos modos colectivos son identificados con partículas propagándose en el medio. Las características de estas partículas están determinadas por parámetros físicos denominados números cuánticos. El poder de la física teórica se pone de manifiesto en la unificación de amplios sectores de fenómenos físicos. Por ejemplo, la electricidad, el magnetismo y los fenómenos ópticos, fueron agrupados en un amplio conjunto de fenómenos conocidos como fenómenos electromagnéticos. Este conjunto de fenómenos se describe con cuatro ecuaciones, las cuales son conocidas como ecuaciones de Maxwell. Si nos ponemos a reflexionar sobre este poder unificador de la matemática nos daremos cuenta de lo impresionante que es que fenómenos tan diversos como los de la electricidad, el magnetismo y la luz hayan sido englobados por un conjunto de cuatro ecuaciones, permitiendo que puedan ser estudiados de manera conjunta. LA FÍSICA TEÓRICA Todo el conocimiento que se tiene de la naturaleza, de la estructura de la materia y sus propiedades y del universo en general se ha obtenido mediante la observación, la experimentación y el desarrollo de estructuras teóricas. Estas estructuras teóricas consisten en un conjunto de ideas organizadas, sistemáticamente expresadas mediante relaciones Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra matemáticas a las que se le conoce como física teórica. La física teórica pretende describir el funcionamiento de los fenómenos del universo en términos matemáticos. Mediante los experimentos, los cuales son procesos controlados para observar lo que pasa, se busca obtener información sobre el comportamiento de la materia. Es en esta etapa del proceso de investigación donde surgen las preguntas. El intento de responder a estas preguntas y la búsqueda de explicación de lo que sucede es el campo de la física teórica. La herramienta fundamental de la física teórica es la matemática, la cual resulta ser el instrumento más poderoso para entender el funcionamiento de la naturaleza. La matemática permite no sólo explicar lo que sucede sino adquirir nuevo conocimiento y predecir lo que va a ocurrir en un experimento. Por ejemplo, de la observación de que las galaxias se están alejando unas de otras, se llegó a la conclusión de que en el pasado todo el universo estaba concentrado en una pequeña región del espacio. Con esta información se elaboró el modelo del Big Bang. La ley de Hubble dr = Hr , donde r es dr el radio del universo, es la primera ecuación asociada al comportamiento del universo. De ahí se inició la cosmología como una ciencia. El Big Bang es un modelo matemático para explicar el origen del universo. Entre sus predicciones está la de la existencia de la radiación de fondo, la cual es el vestigio o remanente de la radiación electromagnética que había en el universo temprano. La expansión del universo produjo el enfriamiento de esta radiación cuya temperatura estimada en el modelo del Big Bang está en perfecto acuerdo con el valor experimental. De este modelo se han derivado muchos conocimientos que hoy tenemos sobre el universo. Por otra parte, la matemática tiene un gran poder integrador, con ella se han podido unificar aspectos y fenómenos de la naturaleza que parecían separados y sin ninguna conexión aparente. La electricidad y el magnetismo que ya mencionamos resultan ser manifestaciones de una sola propiedad física que es la carga eléctrica. De esta manera la física teórica aglutina, en un mismo cuerpo de conocimientos una enorme variedad de fenómenos físicos. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 EL IMPACTO DE LA FÍSICA TEÓRICA Los modelos matemáticos de la física tienen, por su misma naturaleza, una cierta capacidad de predicción. Cuando estos modelos son exitosos y describen algo de la realidad, se espera que sus predicciones sean cumplidas. La confirmación de las predicciones de un modelo es el ingrediente que lleva a la consolidación del mismo y los convierte en una teoría con cierto grado de confiabilidad. En la historia de la física ha habido una gran cantidad de hechos espectaculares que han mostrado el poder que tiene la física teórica. En seguida se mostrará una lista de predicciones de la física teórica que fueron confirmadas experimentalmente, dando a la teoría respectiva un gran prestigio científico. a) Descubrimiento de Neptuno En el año de 1781 fue descubierto el planeta Urano. Hasta ese entonces sólo se conocían siete planetas: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno y Urano. La teoría de la Gravitación de Newton y las leyes de la mecánica desarrolladas por él, habían sido tan exitosas que se podía determinar con gran precisión las órbitas de los planetas, así como también predecir con gran precisión los eclipses. Las leyes de Newton se consolidaron como la teoría que describe el movimiento tanto de los cuerpos en el cielo como en la Tierra. Con estos resultados las leyes de Newton adquirieron un carácter universal. Planeta Neptuno. Descubierto gracias a la predicción hecha con base en el modelo gravitacional de Newton. http://www.wallpaperslot.com/wallpaper-neptune-13454.php 21 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra Sin embargo, estas leyes fallaban al aplicarlas para determinar la órbita de Urano. La órbita de Urano se desviaba de las predicciones de la teoría newtoniana. Algunos científicos empezaron a decepcionarse pensando que el poder de la mecánica newtoniana era limitado, lo que se mostraba en el caso de la órbita de Urano. No obstante, el astrónomo y matemático francés Urbain Le Verrier supuso que la desviación de Urano se debía a la presencia de un planeta desconocido hasta entonces. Realizó los cálculos bajo la hipótesis de la existencia de otro planeta y predijo una órbita para Urano que correspondía a la observada. En el año de 1846, la noche del 23 de septiembre se inició la búsqueda del nuevo planeta, el cual fue encontrado a las pocas horas de observación en la posición que Le Verrier calculó. Fue así como ocurrió el descubrimiento de Neptuno, el octavo planeta de nuestro sistema solar. Éste fue un éxito impresionante de la mecánica newtoniana, sin precedente en ninguna otra creación del intelecto humano.2 Con este asombroso resultado la mecánica se consolidó como una teoría poderosa, respetada por toda la comunidad científica. Posteriormente se desarrollarían formulaciones de la mecánica más abstractas, pero equivalentes a la mecánica newtoniana. La formulación de Lagrange y la formulación de Hamilton son dos ejemplos de ellas. b) Las ondas electromagnéticas Después de la mecánica surgió otra de las grandes teorías de la física: La teoría del electromagnetismo. La teoría electromagnética fue desarrollada por Clerk Maxwell en 1873. Esta teoría unificaba las fuerzas eléctricas y magnéticas que antes de Michael Faraday (1791-1867) se estudiaban como fenómenos independientes, no relacionados entre sí. La teoría de Maxwell predijo la existencia de las ondas electromagnéticas. Estas ondas fueron descubiertas por Henry Hertz diez años después de la muerte de Maxwell. No tuvo éste la fortuna de ver que sus predicciones teóricas se cumplían. El descubrimiento de las ondas electromagnéticas constituye otro de los grandes logros de la física teórica. El experimento del descubrimiento de las ondas electromagnéticas se realizó en Alemania en el 22 año de 1887. Hertz instaló dos circuitos eléctricos similares, conteniendo bobinas, en lugares diferentes del laboratorio y sin establecer conexiones eléctricas entre ellos; sólo uno de ellos tenía fuente de poder. Conectando y desconectándola, la fuente de poder producía chispas entre los extremos separados de los cables. Cuando esto ocurría, en el otro circuito se observaban chispas eléctricas saltando entre los extremos de dos alambres. La explicación del fenómeno es que en el circuito con fuente se generan las ondas electromagnéticas (transmisor) y en el otro se reciben (circuito receptor). Este acontecimiento marcó el inicio de las telecomunicaciones. c) Predicciones de la Teoría General de la Relatividad En la teoría de la relatividad general desarrollada por Einstein hay muchas predicciones espectaculares. Una de ellas, la de la desviación de la luz al pasar por una estrella fue confirmada durante el eclipse total de Sol del año 1919. La confirmación de este fenómeno fue lo que lanzó a Einstein a la popularidad mundial. Varios periódicos del mundo dieron la noticia de la confirmación de la teoría de Einstein con grandes encabezados. La predicción de la existencia de los agujeros negros y otras más, son consecuencia también de la teoría general de la relatividad de Einstein. d) Antipartículas El físico británico P. A. M. Dirac desarrolló la primera teoría cuántica relativista exitosa. Paul Adrien Maurice Dirac [1902-1984]. Físico teórico británico que contribuyó grandemente al desarrollo de la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra En el año de 1929 obtuvo una ecuación, que actualmente lleva su nombre, para describir el comportamiento del electrón. Su ecuación, además de tener soluciones para el electrón cuya carga es negativa, permitía también soluciones para una partícula idéntica al electrón pero de carga positiva. Estos electrones de carga positiva, a los que hoy llamamos positrones, correspondían a soluciones de la ecuación de Dirac para energías negativas. Estas soluciones eran inaceptables desde el punto de vista de la física conocida hasta esos días. Sin embargo, Dirac, en vez de desechar estas soluciones o de desechar su ecuación, introdujo conceptos novedosos en la física con el fin de salvar del fracaso a su ecuación. Sus argumentos, que se basaban en razonamientos muy elaborados, resultaron correctos y con esto predijo la existencia del positrón, el cual fue descubierto en 1932, pocos años después de su predicción. La ecuación de Dirac dio la pauta para la predicción de las antipartículas, las cuales son hoy elementos que aparecen normalmente en los experimentos de la física de altas energías.3 e) El Neutrino En la década de 1920, en los experimentos de física nuclear sobre el decaimiento de núcleos atómicos mediante la emisión de electrones, se encontró que se violaba el principio de conservación de la energía. El proceso nuclear, conocido como desintegración beta daba como resultado experimental que la energía inicial del proceso era mayor que la energía final. Físicos de la talla de Niels Bohr, admitieron que en estos procesos nucleares no se conservaba la energía. Sin embargo, el físico alemán Wolfgang Pauli, no se resignó a aceptar este argumento. En el año de 1931 propuso una teoría donde predijo que debería existir una partícula con carga neutra y masa cero. Esta partícula era la que se llevaba la energía faltante en el estado final de las reacciones de desintegración beta. Estas partículas que hoy conocemos como neutrinos, fueron observadas 25 años después de que se supuso su existencia. Originalmente se les llamaba los ladrones de energía, pero el físico italiano Enrico Fermi las bautizó con el nombre de neutrinos. El Premio Nobel de Física les fue otorgado a los descubridores del neutrino en el año de 1995.4 Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 f) La radiación de fondo del universo Después del descubrimiento de Hubble de la expansión de las Galaxias, George Gamow elaboró la teoría del Gran Estallido como origen del universo. El modelo del Big Bang, una teoría matemática sobre el origen del universo, predice la existencia de una radiación de naturaleza electromagnética que invade todo el universo. A esta radiación se le conoce como radiación de fondo del universo. Gamow calculó la temperatura de esta radiación y sus predicciones fueron confirmadas con el descubrimiento de esta radiación en el año de 1965 por los ingenieros Robert Wilson y Arno Penzias. Éste constituye sin duda otro gran logro de la física teórica, que confirmó el modelo del Big Bang. Por este descubrimiento se les otorgó el Premio Nobel de Física en 1978.5 g) Bosones de Norma W y Z Otra de las grandes hazañas de la física teórica la constituye la formulación de la teoría electro-débil. Ésta es una de las teorías más complejas y elaboradas de la física. Basada en teorías matemáticas de gran abstracción, con ella se unifican dos de las fuerzas fundamentales de la naturaleza: la fuerza electromagnética y la fuerza débil. Entre sus predicciones está la de la existencia de tres partículas con ciertas características. Estas partículas, conocidos como bosones de norma, fueron descubiertas en el año de 1983 por el físico italiano Carlo Rubia y su equipo en el laboratorio del CERN. Por este descubrimiento se les otorgó el Premio Nobel de Física de 1984.5 Colisionador de partículas de la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN) utilizado para el estudio de las partículas elementales de la materia. http://technicalstudies. youngester.com/2010/05/hadron-collider-massive-particle.html 23 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra h) El bosón de Higgs El modelo estándar es la teoría más completa que tenemos para describir el comportamiento de las partículas fundamentales. Este modelo ha resultado ser enormemente exitoso. Es la teoría de las fuerzas fundamentales de la naturaleza y la teoría que describe y clasifica a las partículas elementales, las cuales son las estructuras básicas de la materia. El modelo estándar fue construido entre los años 1960 y 1964 por los físicos Steven Weinberg, Abdus Salam y Sheldon Glashow, quienes ganaron el premio Nobel de física por lograr la unificación de las teorías sobre la fuerza electromagnética y la fuerza débil. Esta teoría unificada, llamada la teoría electro-débil se conoció como modelo estándar. Posteriormente el nombre de modelo estándar se extendió para incluir la fuerza fuerte. En el mundo totalmente desconocido de las partículas subnucleares se buscaba un camino para construir una teoría que explicara los fenómenos que ocurren entre estas partículas. La primera hipótesis requería la suposición de que las partículas tienen masa cero. Así inicio el modelo estándar. Sin embargo como lo que se observa es que las partículas tienen masa diferente de cero, se requirió introducir un mecanismo que permitiera proporcionar masa a las partículas. Este mecanismo que lleva un nombre extraño y que se conoce como Rompimiento Espontáneo de la Simetría, implica la existencia de una partícula nueva. Esa partícula es la que conocemos como Bosón de Higgs. El bosón de Higgs surge de la teoría electrodébil para dar masa a los bosones vectoriales de Peter Ware Higgs. Físico británico conocido por su predicción de la existencia de una nueva partícula, el bosón de Higgs. 24 norma o bosones vectoriales intermediarios, que como ya lo mencionamos, son los transmisores de la fuerza débil. Este bosón se ha estado buscando afanosamente desde que se supuso su existencia en el año de 1964. Hoy a 48 años de distancia parece haberse encontrado. El descubrimiento del bosón de Higgs parece haber ocurrido el 4 de julio de 2012. El anuncio se publicó en todos los diarios importantes del mundo llevando la noticia a millones de personas. Si la noticia del descubrimiento del bosón de Higgs resulta cierta, éste será uno de los hallazgos más notables en la física del pasado y presente siglo, consolidando al modelo estándar como la teoría que describe las interacciones entre las partículas fundamentales. Sin embargo, la misma física teórica en este campo deja la puerta abierta para teorías más completas que serían extensiones de este modelo. Estas teorías, más allá del modelo estándar son en la actualidad, objeto de una intensa investigación en la física de partículas. Una de las más grandes satisfacciones de un físico teórico es llegar a vivir el momento en que las predicciones de su teoría sean confirmadas experimentalmente. En la historia de la física se han dado muchos casos de estos. El descubrimiento de Neptuno, el de la antimateria, el del neutrino, el de la desviación de la luz por una estrella, y el más reciente, el del descubrimiento del Higgs, son ejemplos de ello. En la dirección electrónica: http://www.guardian. co.uk/science/video/2012/jul/04/cern-higgs-bosonvideo, se anuncia el descubrimiento del bosón de Higgs. Se observa a Peter Higgs visiblemente emocionado ante el anuncio. EL ALCANCE DE LA FÍSICA TEÓRICA El objetivo principal de la física teórica es establecer las ecuaciones que gobiernan los fenómenos naturales. Los logros de la física teórica han sido impresionantes, su impacto ha sido tal que ha modificado nuestra forma de vida a través del impulso de nuevas tecnologías. Las consecuencias de las teorías físicas se han manifestado en desarrollos tecnológicos que son los que han marcado las diferentes épocas sociales. El sello actual de nuestras comunicaciones y relaciones sociales está determinado por las tecnologías de la información Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra Autoridades del CERN celebrando la demostración de la existencia del Bosón de Higgs el día 4 de julio de 2012. http://news.nationalpost.com/2012/07/05/higgs-boson-find-could-make-lightspeed-travel-possible-scientists-hope/ que son el producto de los conocimientos que tenemos en la física teórica. Hay un conjunto de conocimientos que tenemos sobre el mundo que nos rodea y sobre lo cual poca gente reflexiona. Tener una teoría que nos explique por qué una estrella puede explotar partiéndose en pedazos durante unos pocos segundos emitiendo una cantidad de luz mucho mayor que la que emiten todas las estrellas de la galaxia es uno de los logros de la física teórica útil para la comprensión de nuestro entorno. Los físicos buscan los medios para lograr comprender el mundo donde vivimos y entender el funcionamiento del universo. La imaginación y la intuición son ingredientes importantes en este proceso de adquisición de conocimientos. Con estos elementos se han podido elaborar estructuras teóricas que nos han permitido explicar lo que observamos. Muchas de las construcciones teóricas de la física provienen de la observación y la experimentación. Sin embargo hay otras formulaciones que se originan en el pensamiento mismo, basándose en premisas que se supone deben cumplirse en el mundo físico. También hay quienes confían en que el universo debe funcionar de acuerdo con ciertos principios estéticos. Según algunos físicos, la belleza debe ser el más fundamental principio en el funcionamiento del universo, éste es para muchos teóricos el criterio que guía la elaboración de nuevas teorías. Para ejemplificar esto diremos que un razonamiento puramente estético nos indica que el universo no puede ser zurdo o derecho, más bien debería ser ambidextro. ¿Qué significa un universo Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 zurdo? Es un universo donde el marco de referencia levógiro es el que nos permite explicar mejor las cosas. Lo mismo diríamos de un universo derecho, donde el marco de referencia privilegiado sería el dextrógiro. Los físicos esperan que el marco de referencia deba ser indistinto para explicar y describir los fenómenos físicos. Otra de las hipótesis fundamentales de la física teórica es que las leyes de la física deben ser universales, es decir, tener validez en cualquier punto del universo. No deben ser locales. De manera similar estas leyes deben ser válidas para todo instante de tiempo. Empleando el lenguaje unificado del espaciotiempo decimos que las leyes de la física son válidas en todos los puntos del espacio-tiempo. Este resultado tiene una forma matemática de expresarse diciendo que las ecuaciones de la física son invariantes ante translaciones en el espacio-tiempo. FENOMENOLOGÍA CONTRA AXIOMATIZACIÓN ESTÉTICA El desarrollo de las ciencias naturales se basa en la fenomenología, es decir en la observación y la experimentación. Estas son las fuentes de información para desarrollar una teoría fenomenológica o empírica, donde los resultados de la teoría se ponen a prueba mediante el experimento. La confirmación experimental de los resultados teóricos y de sus predicciones es lo que le da solidez a una teoría científica. Sin embargo, en los modernos desarrollos de la física teórica han aparecido otras tendencias para edificar las teorías sobre los fenómenos naturales, principalmente en las áreas del mundo atómico y subatómico. P.A.M. Dirac, uno de los más notables científicos del siglo XX, afirmaba que la belleza de una teoría debería ser una componente importante para juzgar su validez. La belleza aquí es sinónimo de simetría. Los físicos que apoyan esta corriente de pensamiento dentro de la física y a la que llamaremos axiomática o estética para contraponerla con la corriente fenomenológica, creen firmemente que existe otra manera para llegar a obtener buenos resultados en la búsqueda de las leyes que gobiernan los fenómenos naturales, principalmente al nivel atómico y subatómico. Dirac consideraba la belleza como guía y como criterio para juzgar la viabilidad de una ecuación como fundamental en la física. 25 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra Las posturas o corrientes filosóficas de la física son fundamentalmente dos: La empírica o fenomenológica y la otra es la estética o axiomática. Estos últimos confían en la simplicidad del universo, donde los aspectos estéticos y de simetría juegan un papel fundamental. En esta corriente no se piensa que el universo pueda ser caprichoso o rebuscado al grado de que los aspectos estéticos se hayan supeditado a otras formas de ordenar los fenómenos del universo. Einstein creía en esto y éste es el origen de su frase multicitada: Dios no juega a los dados. Aun cuando esta frase resultó fallida en los procesos atómicos, la idea de los físicos es que debe haber un sustrato en las leyes fundamentales del universo que respeten los aspectos estéticos. Esta estética está determinada por criterios matemáticos. Dirac afirmaba que una ecuación de la física contiene en sí misma una gran belleza. En 1927 él obtuvo una ecuación para describir al electrón de una manera cuántica relativista, la cual es una de las ecuaciones fundamentales de la teoría cuántica relativista. Para una partícula libre esta ecuación tiene dos soluciones: una de energía positiva y otra de energía negativa. Cuando Dirac obtuvo por primera vez estas soluciones, la solución de energía negativa parecía que echaba a perder la ecuación. Pero según Dirac, su ecuación tenía una gran belleza matemática y no podía desecharse así nada más. Trató de salvar su ecuación mediante un artificio matemático y esto dio como resultado la predicción de la existencia de un electrón con carga positiva y que hoy conocemos como positrón. Esta partícula fue observada en los laboratorios de Berkeley California en el año de 1932, confirmando la predicción de Dirac. Después se confirmaría la existencia de muchas otras antipartículas que hoy se observan diariamente en los laboratorios de física de altas energías. Quien entienda la matemática aprecia la belleza de una ecuación. Una ecuación muestra relaciones entre diversas cantidades físicas, lo que permite apreciar la interdependencia entre ellas. La belleza de una expresión matemática asociada con un sistema o proceso físico se manifiesta de varias formas: a) Se puede revelar en la forma compacta de su escritura. b) Al mostrar de manera clara la conexión entre las cantidades físicas que relaciona, lo cual permite interpretar físicamente su significado. 26 c) El tipo de soluciones que admite restringe las posibilidades de las variables físicas, etc. El poder de una teoría física es que para ser aceptada tiene que ser verificada experimentalmente. La teoría de la relatividad y la mecánica cuántica son creaciones abstractas, producto de razonamientos originados en la convicción de que la naturaleza respeta principios estéticos, es decir, que es regulada por aspectos de simplicidad y no caprichosos. No se cree, por ejemplo, que en un sistema de dos estados de igual energía ocurra que la probabilidad de encontrar al sistema en uno de ellos sea mayor a la del otro. De igual manera, de un conjunto de electrones no polarizados se espera que la mitad tengan espín hacia arriba y por consiguiente, la otra mitad lo tengan hacia abajo. EL MONOPOLO MAGNÉTICO En las ecuaciones de Maxwell se presenta una notable asimetría. Mientras que la ecuación donde interviene la divergencia del campo eléctrico G ρ ∇ ⋅ Ε = , se escribe como ∈0 la ecuación G para la divergencia del campo magnético es ∇ ⋅ B = 0. La interpretación física de estas ecuaciones es G ρ ∇ ⋅ Ε = , como sigue: implica que el campo eléctrico ∈0 tiene como fuente las cargas eléctricas. Por otra parte, G ∇ ⋅ B = 0 significa que no existen cargas magnéticas aisladas. Esto tiene como consecuencia que no se haya observado nunca un monopolo magnético. Siempre se da que en cualquier estructura magnética encontremos un polo norte y un polo sur. A Dirac esta asimetría de la naturaleza del campo electromagnético le pareció inaceptable por antiestética. Siguiendo la línea de pensamiento de que las ecuaciones de la física deben ser estéticas Dirac introdujo una modificación en las ecuaciones de Maxwell destruyendo esta asimetría y postuló la existencia del monopolo magnético. El monopolo magnético resultaría ser una partícula que, como su nombre lo indica, tendría solo un polo norte por definición. Su antipartícula sería el polo sur. Lo importante en esta teoría, es que ambas pueden existir en forma aislada. Actualmente se realizan esfuerzos teóricos y experimentales para determinar las características del monopolo magnético. Hay proyectos de investigación en la física experimental que tiene el propósito de descubrir Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra el monopolo magnético, el cual se manifestaría en forma de una partícula. Hasta ahora no se ha tenido éxito. Si se logra descubrirlo, estaríamos ante otra de las grandes hazañas de la física teórica.6 LA IMPORTANCIA DE LAS SIMETRÍAS EN LA FÍSICA TEÓRICA La idea más primitiva sobre el concepto de simetría es de naturaleza geométrica, pero los físicos lo han extendido y generalizado convirtiéndolo en una propiedad abstracta fundamentada en relaciones matemáticas, lo cual la convierte en un recurso muy poderoso y con un gran impacto en la física teórica. La importancia de la simetría en la física se inicia con la visión y los trabajos de Einstein a principios del siglo XX. Posteriormente, en los años veinte, el físico húngaro Eugene Wigner y otros se percataron de que los conceptos de simetría juegan un papel fundamental en la comprensión de la naturaleza y para el desarrollo de las teorías físicas. Cuando no se tiene una teoría que describa la dinámica de alguna clase de sistemas, la simetría que se espera que sea satisfecha por las fuerzas que intervienen juega un papel decisivo para desarrollar la teoría correspondiente. Las fuerzas nucleares, por ejemplo, han ido aproximándose poco a poco para explicar los fenómenos observados, tomando como guía la simetría. Uno de los grandes principios formulados antes del desarrollo de la ciencia moderna fue planteado por el filósofo y matemático alemán Gotffried Leibniz, Eugene Paul Wigner [1902–1995]. Físico y matemático húngaro que recibió el Premio Nobel de Física en 1963 por el descubrimiento y aplicación de importantes principios de simetría. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 estableciendo que si dos estados de un sistema son indistinguibles entre sí, entonces son el mismo estado. Este principio, aparentemente trivial e inocente, tiene profundas implicaciones para la ciencia. La simetría en la física está apoyada en esta idea o principio. Cambiemos algo en un sistema, y si el resultado es que no podemos distinguir lo que teníamos inicialmente de lo que tenemos ahora, entonces podemos identificar ambos estados como uno solo. A partir del desarrollo de la teoría especial de la relatividad por Einstein, donde se postula que todas las leyes de la física deben tener la misma forma matemática en todos los sistemas de referencia inerciales, la guía para construir las teorías físicas han sido las propiedades de transformación de las variables o cantidades físicas que intervienen y de las interacciones o combinaciones entre ellas. Una transformación de una variable es un cambio que realizamos en dicha cantidad, dada por una prescripción matemática. Puesto que buscamos transformaciones que dejen invariantes las leyes de la física, las cuales se expresan mediante relaciones matemáticas, entonces estas transformaciones están restringidas por este requisito. Una transformación que deja invariante las ecuaciones de la teoría se le conoce como transformación de simetría. El concepto de simetría en su forma más general lo estableció el físico-matemático alemán Weyl de la siguiente manera: una cosa es simétrica si uno puede someterla a ciertas transformaciones y esta cosa se ve exactamente igual después de la transformación. Esta cosa (algo) de la que estamos hablando puede ser una figura geométrica, o una expresión matemática y la transformación puede ser una operación geométrica o física, como una rotación o una translación, una reflexión, etc. La transformación puede también estar dada por una operación matemática, expresada mediante una función que toma el objeto matemático y lo modifica. La idea de simetría como la planteó Weyl, se manifiesta clara y poderosamente en la teoría especial de la relatividad al establecer que las transformaciones matemáticas adecuadas, que conectan los diferentes marcos de referencia inerciales, dejan invariantes las ecuaciones de movimiento. En relatividad especial la simetría significa que la física es la misma para dos observadores en movimiento relativo uniforme. Las reglas de transformación que conectan a ambos observadores son transformaciones de simetría. 27 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra Hermann Klaus Hugo Weyl [1885-1955]. Físico-matemático alemán que construyó la primera teoría del campo unificado, en la que el campo electromagnético y el gravitatorio aparecen como propiedades geométricas del espacio-tiempo. http://www.math.uni-bielefeld.de/weyl/poster. htmlde/weyl/poster.html PRIMEROS PRINCIPIOS Buscando encontrar armonía y regularidades en la enorme diversidad de objetos y de fenómenos naturales, el ser humano ha introducido conceptos que le permitan entender y explicar estos fenómenos. Avanzando en este conocimiento se pretende que los principios fundamentales queden establecidos a partir de los conceptos más primitivos que tenemos sobre el mundo que nos rodea. Estos primeros principios se construyen a partir de suposiciones sobre el espacio, el tiempo y la materia, que son de los conceptos más primitivos y fundamentales en toda teoría que trate de la naturaleza. Se ha encontrado que las regularidades y la armonía en el universo están relacionadas con simetrías del espacio, del tiempo y de otros conceptos que se han introducido en la física (las simetrías internas, que no dependen ni del espacio ni del tiempo). La simetría que en sus orígenes fue un concepto geométrico se ha llevado a un grado muy elevado de abstracción a través del uso de los métodos matemáticos. El lenguaje matemático de las simetrías se conoce como teoría de grupos. Las leyes y las regularidades en la física están estrechamente ligadas entre sí, manifestándose a través de teoremas de conservación que se obtienen a partir de las simetrías. Entre los ejemplos más conocidos de estas relaciones tenemos la conservación de la energía que es consecuencia de la homogeneidad del tiempo, la conservación de la cantidad de movimiento y la conservación 28 del momento angular que son consecuencias de la homogeneidad e isotropía del espacio, respectivamente. La conservación de la carga eléctrica que en un principio se postuló como un hecho experimental, resulta de una simetría bastante abstracta que se conoce como simetría de norma. La importancia del concepto de simetría en la física proviene de un poderoso teorema demostrado por la matemática alemana Emmy Noether. En una transformación de simetría se produce un cambio en algunos parámetros o variables que entran en una teoría, sin que se produzca un cambio en las cantidades que se pueden observar o medir. El teorema conocido como Teorema de Noether, establece que el resultado de una transformación de simetría es siempre una cantidad conservada. La consecuencia de este teorema ha dado a la física teórica un impulso sin precedentes. LA MATEMÁTICA ES UN LENGUAJE QUE DESCRIBE, UNIFICA Y ESTABLECE ANALOGÍAS El concepto de energía en la física. Una de las definiciones más desafortunadas de la física elemental es la de la energía. Es lamentable que aún los libros de física a nivel universitario definan el concepto de energía como la capacidad que tiene un sistema o un objeto para realizar un trabajo y no destaquen el hecho de que la energía es un concepto completamente abstracto que se introduce a través de relaciones matemáticas y es definida convenientemente para que resulte una cantidad que se conserva en todos los procesos. Esta característica de la energía es la que la ha hecho tan poderosa y tan útil en la ciencia: la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma, es un principio que aprende el estudiante desde primaria pero no se dice en el nivel universitario a qué se debe su validez. Las cantidades conservadas en una teoría que describe el comportamiento de los sistemas físicos son fundamentales. Una cantidad que es constante en el tiempo resulta ser de gran utilidad para describir la dinámica de un sistema físico. En la física la energía se definió convenientemente para que resultara una cantidad conservada. Primeramente se introdujo el concepto de energía cinética y después, definida convenientemente para dar una cantidad conservada, se introdujo la energía potencial. Con esto obtenemos Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra que la energía mecánica de un sistema de partículas, la cual consiste en la suma de la energía cinética y la energía potencial es una cantidad que no cambia en el tiempo. Cuando se incluyen interacciones (fuerzas) en los sistemas físicos, la energía se extiende para incluir, calor, sonido, luz, etc. de tal manera que resulte una cantidad conservada. En un sistema aislado de electrones, por ejemplo, la energía mecánica no se conserva. Hay que incluir la energía del campo electromagnético presente en el sistema. Teorema del trabajo y la energía. El teorema del trabajo y la energía establece que si una fuerza actúa sobre una partícula, el efecto de ésta al cambiar la posición de la partícula del punto A al punto B se manifiesta en el cambio en la energía cinética de la partícula entre ambos puntos. Matemáticamente esto se escribe como: G G ∫ BA F ⋅ dr = K B − K A (1) Por otra parte, en el caso de fuerzas conservativas, se introduce la definición de energía potencial U como una función de la posición donde la diferencia de energía potencial entre los puntos A y B está dada por G G − ∫ BA F ⋅ d = U B − U A (2) Sumando miembro a miembro las ecuaciones (1) y (2) obtenemos la conservación de la energía mecánica KB − K A + U B − U A = 0 ΔK + ΔU = 0 Δ (K + U ) = 0 K + U = constante Notemos que hemos definido convenientemente la energía potencial para obtener una cantidad conservada. La energía mecánica es algo que por definición se conserva para el caso de fuerzas conservativas. Cuando se introducen otro tipo de fuerzas como la fricción se introduce una nueva cantidad llamada calor que se toma como una forma de energía y que conduce a la conservación de una cantidad más general, a la que llamamos simplemente energía. Con la introducción de otras interacciones aparecerán otras formas de energía como el sonido, la luz y otras más. Todas ellas Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 expresadas convenientemente para lograr una cantidad conservada que es llamada energía. Por esto se habla del principio de conservación de la energía ya que este resultado no se obtiene como conclusión de ninguna idea más primitiva, sino que proviene de las definiciones. No es un teorema dirían los matemáticos, sino un postulado. La mecánica teórica como pilar de la física teórica. La mecánica es la teoría fundamental sobre la que se estructuró toda la física teórica. Sus ideas y conceptos invadieron todas las teorías de la física. Conceptos como energía, energía potencial, momentum lineal, momentum angular, etc. nacieron de la descripción de los sistemas mecánicos. Como es bien conocido, la primera formulación de la mecánica la desarrolló Newton basándose en el concepto de fuerza. Las leyes de Newton constituyen el fundamento de la mecánica. Sin embargo, hay otras formulaciones de la mecánica donde no entra el concepto de fuerza y resultan ser equivalentes a la mecánica newtoniana. Las formulaciones lagrangiana y hamiltoniana son totalmente equivalentes a la mecánica de Newton y están basadas en el concepto de energía. Estas formulaciones son abstractas y se apoyan en un principio variacional conocido como principio de Hamilton. La ventaja de estas formulaciones es que permiten unificar ideas y conceptos fundamentales en diferentes campos de la física. También es posible detectar importantes características de los sistemas físicos sin siquiera resolver las ecuaciones de movimiento. Nos concentraremos en la formulación lagrangiana para mostrar, con dos ejemplos específicos, la manera en la que se pueden asociar propiedades físicas de un sistema con características de conceptos fundamentales como espacio y tiempo. Para evitar complicaciones se hará el análisis para un sistema de una sola partícula. La formulación lagrangiana se basa en la introducción de una función L = L( xi , x�i , t ), d e f i n i d a c o m o L = T − V ( xi ), donde T yV ( xi ) son la energía cinética y la energía potencial, respectivamente. Las ecuaciones de movimiento, conocidas como ecuaciones de EulerLagrange tienen la forma 29 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra dL = dt ⎛ ∂L dxi ∂L dx�i ⎞ + ⎟ ∂x�i dt ⎠ i dt i =1 3 ∑ ⎜⎝ ∂x (4) ∂L d ∂L = � Sustituyendo ∂xi dt ∂xi de la Ec. (3) en la Ec. (4) obtenemos, después de dos pasos algebraicos, que d ⎡ ⎢L − dt ⎣⎢ ⎛ ∂L dxi i dt i =1 3 ∑ ⎜⎝ ∂x� ⎞⎤ ⎟⎥ = 0 ⎠ ⎦⎥ De aquí obtenemos que L− Joseph Louis Lagrange [1736-1813]. Matemático, físico y astrónomo francés de origen italiano, quien entre otras cosas reformuló la mecánica clásica de Isaac Newton. ∂L d ∂L − =0 ∂xi dt ∂x�i (3) En el caso de una sola partícula tendremos tres ecuaciones ya que x=x1, y=x2, z=x3 el índice nos indica la coordenada. Para el caso de un sistema cerrado, es decir, aquel donde la partícula está interaccionando solamente con la fuerza que origina la energía potencial V(xi), tendremos que la lagrangiana L no debe depender explícitamente del tiempo. Esto se justifica por un principio fundamental conocido como homogeneidad del tiempo. El significado de esto es que si queremos describir el sistema partícula-entorno, el resultado de la descripción no debe depender del momento en que iniciemos la descripción. Esto implica que la dinámica del sistema será la misma. Como ejemplo podemos tomar el sistema Sol-Tierra. Notemos que esto es diferente si existieran fuerzas externas al sistema, lo cual implicaría que la influencia externa podría cambiar con el tiempo. De una manera más elegante se expresa la independencia del sistema respecto al tiempo diciendo que el tiempo es homogéneo, es decir, que dos instantes de tiempo cualquiera son equivalentes. Habiendo llegado a esto, tenemos que ∂L =0 ∂t Tomando ahora la derivada total de L respecto al tiempo, obtenemos 30 ⎛ ∂L dxi i dt i =1 3 ∑ ⎜⎝ ∂x� ⎞ ⎟ = constante ⎠ (5) Calculando explícitamente esta expresión obtenemos que ésta corresponde a la energía total de la partícula. E= 1 3 2 m x�i + V ( x) 2 i =1 ∑ ⎛ ∂L dxi ⎞ ⎟= i dt ⎠ i =1 3 ∑ ⎜⎝ ∂x� (6) 3 ∑mx� x� i i i =1 Sustituyendo esto en la Ec. (5), obtenemos que la cantidad constante es la energía total de la partícula, dada por la Ec. (6). L− ⎛ ∂L dxi ⎞ 1 3 2 ⎜ ⎟ = m x� i + V (x ) − � 2 i =1 i =1 ⎝ ∂xi dt ⎠ 3 ∑ ∑ 3 � �=E ∑ mxix i =1 La conclusión de este análisis es que la conservación de la energía proviene de un aspecto muy fundamental de la naturaleza: la homogeneidad del tiempo. Esto le da al principio de conservación de la energía una gran solidez, pues no es ya producto de una serie de parches que se agregan cada vez que aparezca una nueva forma de energía como ocurre en la formulación newtoniana de la mecánica.7 El principio de conservación de la energía tiene validez universal debido a que se obtiene de una hipótesis muy fundamental que hacen los físicos sobre las propiedades del tiempo. La hipótesis se conoce como la homogeneidad del tiempo. Otras formas equivalentes de expresar esta idea son: cualquiera dos instantes de tiempo son equivalentes; las leyes de la física son invariantes ante translaciones en el tiempo; las leyes de la física son las mismas hoy y siempre. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra Propagación de partículas en el medio nuclear Así como se ha estudiado el sonido como una perturbación en un medio elástico, los fonones como resultado de la propagación de una perturbación o desplazamiento respecto de su posición de equilibrio de los átomos en una red cristalina y también la propagación de ondas electromagnéticas en medios materiales, podemos estudiar también la propagación de perturbaciones en el medio nuclear. Los fonones, por analogía con los fotones, se consideran como partículas. De esta manera la propagación de una perturbación en la función que representa la fuente de mesones en el medio nuclear genera una perturbación que se asocia con un mesón y que se propaga con ciertas características dinámicas. Notación, en la matemática la notación juega un papel muy importante. Lograr una notación compacta permite escribir expresiones matemáticas con apariencia más sencilla y nos ayuda a visualizar con mayor facilidad las relaciones entre las cantidades o variables que entran en las ecuaciones. En la física teórica las formas compactas de expresión matemática resultan esenciales para detectar relaciones y analogías físicas que de otra manera resultaría imposible encontrar, perdidas en una selva de símbolos que ocultan estas relaciones. En las teorías cuánticas relativistas es costumbre utilizar la notación de Einstein sobre la suma. La convención de Einstein consiste en que si en un término un índice aparece repetido esto implica una suma sobre estos índices. En las teorías relativistas se acostumbra a escribir los índices que se refieren al espacio-tiempo con letras griegas. La notación más simple para las coordenadas del espacio-tiempo se consigue mediante el empleo de cuadrivectores Un cuadrivector es un conjunto de cuatro componentes de números que se transforman de acuerdo con una regla particular. Hay varias notaciones para las componentes. En este artículo tomaremos tres componentes reales y la cuarta componente será compleja. Puesto que en el espacio Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 Albert Einstein [1879-1955]. Físico alemán, nacionalizado después suizo y estadounidense, considerado como el científico más importante del siglo XX. de la relatividad especial, el cual es un espacio de cuatro dimensiones, conocido como espacio de Minkowski, la distancia de un punto del espacio tiempo (x, y, z, ct) al origen (0,0,0,0,) se escribe como S 2 = x 2 + y 2 + z 2 - (ct)2 , entonces es conveniente definir un punto del espacio-tiempo como (x, y, z, ict). Con esto la distancia de este punto al origen se puede escribir como S2=xμxμ donde se ha usado la convención de Einstein, con x=x1, y=x2, z=x3, ict=x4. De igual manera definimos ∂ = ∂ μ ∂xμ Usando esta definición obtenemos que 1 ∂ μ ∂ μ = ∂ 2x + ∂ 2y + ∂ 2z − 2 ∂ t2 c 1 2 ∂t c2 Con esta notación, la ecuación de onda para un campo φ (x, y, z, ict) toma la forma ∂ μ ∂ μ ϕ (x, y, z , ict ) = 0 ∂μ∂μ = ∇2 − Definiendo x=(x, y, z, ict) La ecuación de onda se escribe como ∂ μ ∂ μ ϕ (x ) = 0 La ecuación de onda con una fuente J(x) adquiere la forma ∂ μ ∂ μ ϕ (x ) = J ( x ) Cuando un campo tiene varias componentes φi con i=1,2,…n La ecuación de onda se escribe como ∂ μ ∂ μ ϕi (x ) = J i ( x) (7) 31 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra En las ecuaciones relativistas, los campos vectoriales tienen índices espacio-temporales, lo que significa que tienen valores de 1 a 4. La forma de la ecuación de onda es entonces ∂ μ ∂ μ ϕv ( x ) = J v ( x ) Con v=1, 2, 3, 4 La ecuación de un campo vectorial relativista con masa, como la que presentan algunas partículas subnucleares está dada por (∂ μ ∂ μ − m )ϕ (x ) = − J ( x ) 2 v v (8) Donde m es la masa del campo vectorial. La ecuación anterior se conoce como ecuación de Proca y es muy común encontrarla en la teoría relativista de campos cuánticos.8 La Ec (8) es la forma que adquiere una de las ecuaciones de movimiento que aparecen en el estudio de la materia nuclear. En este caso Jv(x) resulta ser la densidad del material nuclear y es a su vez la fuente del campo vectorial, al cual llamaremos campo mesónico.9 En el cálculo variacional una variación de una funcional φ(x) en un punto fijo x del espacio se define como δφ(x)=φ´(x)- φ(x) La variación en la derivada ∂xφ(x) se define como δ∂xφ(x)=∂xφ´(x)-∂xφ(x) lo cual se puede escribir como δ∂xφ(x)=∂xδφ(x) Con esto estamos en condiciones de establecer la ecuación que deben satisfacer la propagación de las perturbaciones en la materia nuclear. Consideremos una variación en la densidad nuclear δJv(x) en la Ec. (8). Tomando la variación en ambos miembros de la ecuación, obtenemos (∂ μ ∂ μ − m 2 )δϕ (x ) = −δJ ( x) (9) Tomemos la transformada de Fourier en ambos miembros de la Ec. (9) para pasar al espacio de momentos y convertirla en una ecuación algebraica. Con esto obtenemos (k 2 + m 2 )δϕ (k ) = δJ (k ) (10) El propagador libre de mesón D0(k) asociado a los modos colectivos arriba mencionados está definido como 1 D0 (k ) = − 2 k + m2 32 Por lo tanto la Ec. (10) se puede escribir como δϕ (k ) = − D0 (k )δJ (k ) (11) v A su vez, las excitaciones colectivas δϕ (k ) pueden inducir variaciones en la densidad nuclear δJ v (k ) . Se supone que la respuesta del medio es lineal y escribimos la relación lineal más general entre ambas variaciones: δJ v (k ) = −Π vμ δϕμ (k ) (12) La expresión para la función ∏ es muy complicada, aun en los ejemplos más sencillos. La idea aquí es mostrar solamente la línea de razonamiento que se sigue en la física nuclear y hacer notar que se le parece mucho a lo que se hace en el estudio de, por ejemplo, las propiedades microscópicas de los dieléctricos. vμ Sustituyendo la Ec. (12) en (11) obtenemos (δvμ − D0 (k )Π vμ ) δϕμ (k ) = 0 (13) ⎧1 si ν = μ Donde δνμ = ⎨ ⎩0 para los demás casos La ecuación (13) es la que gobierna los modos colectivos de propagación en el medio. Sus μ soluciones, dadas por los valores de δϕ (k ) están asociadas a los mesones vectoriales, conocidos con el nombre de mesón omega. De las propiedades de estas soluciones podemos determinar las propiedades de los mesones en la materia nuclear. Para que la ecuación (13) tenga soluciones diferentes de la trivial, (de hecho un infinito número de ellas) se impone la condición de que el determinante de coeficientes sea cero. Esta condición se expresa como: Det (δv μ − D0 (k )Π vμ ) = 0 (14) El análisis anterior es muy parecido al que se hace en el estudio de la propagación de ondas en un plasma. 10 Esta analogía muestra cómo la matemática unifica, mostrando relaciones entre sistemas físicos muy diferentes. La física teórica, que es la física matemática encuentra esas relaciones entre los diferentes sistemas físicos, lo que le permite desarrollar teorías que engloban fenómenos correspondientes a diferentes aspectos de la naturaleza. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra LOS RETOS ACTUALES DE LA FÍSICA TEÓRICA La física teórica es un campo donde se desarrolla una intensa actividad de investigación. Se tienen grandes pendientes que hay que resolver y son varios los retos que se le presentan actualmente a los físicos teóricos. El primero es el de incorporar la fuerza de gravedad en el modelo estándar, lo que significa desarrollar la teoría cuántica de la gravedad. Otro problema es el de lograr la unificación de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Un tercer problema es el de explicar la naturaleza de la materia y la energía oscuras. a) La teoría cuántica de la gravedad. La teoría actual de la gravedad es la teoría general de la relatividad de Einstein. Esta teoría describe los fenómenos a gran escala, como los que ocurren en el sistema solar, en las galaxias o los fenómenos cosmológicos, donde se estudia al universo como un todo. Por otra parte, la teoría que describe los fenómenos en la escala opuesta, es decir aquellos que suceden a muy pequeñas distancias, en la estructura atómica y subatómica, es la mecánica cuántica. La inclusión de la interacción gravitacional entre las teorías cuánticas es lo que se conocería como teoría cuántica de la gravedad. La teoría cuántica del campo electromagnético cuantiza este campo, lo que significa que se asocia una partícula al campo. Esta teoría se conoce como electrodinámica cuántica y en ella el campo electromagnético es una partícula llamada fotón. Similarmente las otras teorías cuánticas de la interacción débil y la interacción fuerte asocian partículas o cuantas a los campos. Dado que la relatividad general es una teoría donde el campo gravitacional corresponde a la geometría del espacio-tiempo, la cuantización del campo gravitacional corresponde a la “granulación” del espacio-tiempo. Con esto tendríamos que el espacio y el tiempo no son continuos sino que existen en paquetes de dimensiones que tienen un valor mínimo. b) La búsqueda de una teoría unificada. La obsesión de Einstein durante los últimos años de su vida fue la de lograr una teoría que unificara Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 todas las fuerzas de la naturaleza, entre ellas el campo electromagnético y el campo gravitacional. El llamó a esta teoría que pretendía desarrollar, la teoría del campo unificado. En la búsqueda de esa teoría empleó más de 30 años sin lograrlo. Hasta el momento es uno de los grandes objetivos de la física teórica. c) La materia y la energía oscuras. Se ha encontrado que las galaxias deben tener una masa de alrededor de un 90% más que la observada como materia luminosa. Inclusive al observar el movimiento de una galaxia en un conglomerado de galaxias se encuentra que la materia faltante, la que no es luminosa excede al 90% de la materia visible. A esta materia faltante para explicar el movimiento observado de estrellas y galaxias se le conoce como materia oscura. La búsqueda de la materia oscura es en el presente uno de los grandes retos de los astrónomos y de los físicos de partículas. Es importante tomar en cuenta que se define como materia luminosa aquélla que emite radiación electromagnética en cualquiera de las regiones del espectro electromagnético. En la actualidad los astrónomos cuentan con telescopios que permiten la detección de radiación en una amplia gama de frecuencias. De acuerdo con la ley de Stefan-Boltzmann sabemos que todo cuerpo que El Telescopio Espacial Hubble ha estado en órbita desde 1990. Permite la observación nítida del espacio sin las deformaciones causadas por la atmósfera de la Tierra. http://www.spaceanswers.com/astronomy/341/all-about-the-hubblespace-telescope/ 33 �Alcance e impacto de las formulaciones teóricas de la física / J. Rubén Morones Ibarra tiene una temperatura absoluta diferente de cero, emite radiación electromagnética. La masa faltante en el universo no se espera que esté compuesta de materia ordinaria, es decir no está formada de los elementos químicos que encontramos aquí en la Tierra. Tampoco se espera que esté constituida por protones, neutrones y electrones. Esta materia es algo extraordinario, un tipo de materia exótica que no conocemos hasta ahora. Otro de los problemas preocupantes de la astronomía moderna es el de la energía oscura. La energía oscura está asociada con una clase de materia hasta ahora desconocida que se ha introducido con el propósito de explicar el efecto observado de que el universo se está expandiendo cada vez más rápido, es decir, la expansión del universo es acelerada. No conocemos hasta ahora la naturaleza de la energía oscura pero produce un efecto de gravedad repulsiva o antigravedad. Determinar la naturaleza de la energía oscura es otro de los desafíos que los científicos tienen en la actualidad. La energía oscura se inscribe también en la lista de los tipos de materia exótica. Actualmente los físicos de partículas buscan nuevas formas de materia, como los axiones, o las partículas supersimétricas, para asociarlas con la materia y la energía oscuras. Es posible que el bosón de Higgs tenga también contribuciones a los valores de la materia y la energía oscuras. Los problemas de la materia oscura y la energía oscura están en la actualidad entre los retos más desafiantes de la ciencia. Todos estos misterios del 34 cosmos hacen más fascinante el mundo en el que vivimos y lo es porque en el intento de descifrar sus misterios nos lleva de una aventura intelectual a otra. REFERENCIAS 1. Leon, M. Lederman and Christopher T. Hill, Symmetry and the Beautiful Universe, Pronetheus Book, (2004). 2. Michio Kaku, Einstein´s Cosmos, Atlas Books, (2004). 3. Frank Close, Antimatter, Oxford, University Press, (2009). 4. David Lindley, The End of Physics, Basic Books, (1993). 5. Raymond Serway, Física Vol. II, Cuarta edición, McGraw-Hill, (1997). 6. Quantum Field Theory, Mark Srednicki, Cambridge, University Press, (2007). 7. Herbert. Goldstein, Charles poole, and John L. Safko, Classical Mechanics, 3rd. Edition, Addison-Wesley, Pub. Co. (2001). 8. J. David Jackson, Classical Electrodynamics, third edition, John Wiley and Sons, (1998). 9. John Dirk Waleka, Theoretical Nuclear and Subnuclear Physics, Second edition, World Scientific, (2004). 10. J. A. Bittencourt, Fundamentals of Plasma Physics, Third Ed., Springer Verlag, N. Y., (2004). Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Notarías curriculares Gabriel Zaid RESUMEN Dada la moda de falsear o exagerar la información sobre las personas se plantea la necesidad de generar instancias de verificación curricular, las cuales podrían dar certeza sobre la información incluida en los currículum vitae y así se podría confiar en ella para fines de toma de decisiones. PALABRAS CLAVE Currículo, credencialismo, verificación, credibilidad, fraude. ABSTRACT Because of the tendency of falsifying or exaggerating information about people it is stated the need of generating instances of curricular verification, which could provide certainty about the information contained in a curriculum vite and could be possible to be confident about that information for decision taking purposes. KEYWORDS Curriculum, credentialism, credibility, verification, fraud. INTRODUCCIÓN El que hace una fechoría en una aldea queda señalado ante todos y, a veces, tiene que irse. En una gran ciudad, puede continuar su carrera y hacer una tras otra, porque nadie lo conoce. Tardíamente, se descubre que debía muchas, o nunca se descubre. Para evitarlo, se inventaron los currículos, fotografías, identificaciones, cartas de recomendación y referencias. Se pide al interesado en un puesto que documente quién es, qué ha hecho, qué puede mostrar como ejemplo de su capacidad, quiénes lo avalan. Esto ha creado una industria del credencialismo. A falta del conocimiento que da el trato directo y continuado, hacen falta intermediarios para confiar en una persona, porque nadie conoce a nadie. Credencial viene de credere: creer. Artículo publicado en Letras Libres, el 30 de julio de 2012. Reproducido con la autorización del autor. Nada garantiza que las precauciones funcionen, porque las credenciales pueden ser falsas. Peor aún: el proceso de avalar acaba distorsionando muchas cosas. La educación debería concentrarse en la educación, pero tiende a volverse Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 35 �Notarías curriculares / Gabriel Zaid un negocio credencialero. Los premios dejan de ser una fiesta que celebra lo mejor para convertirse en capital curricular. El aplauso espontáneo queda desplazado por los aplausos enlatados que se producen por consigna o se venden al mejor postor. Las entrevistas en los medios, que supuestamente son para informar al público, sirven para desinformarlo, y hasta tienen tarifas, que no paga el público, sino el entrevistado. Se han hecho obras de teatro, óperas y películas sobre la importancia del cabello, y hay asistentes que pagan su boleto para ver Sansón y Dalila. Pero nadie va al teatro para ver propaganda de un gel maravilloso que transforma a cualquiera en Sansón, aunque la entrada sea gratuita. Darle al público propaganda, en vez de información, distorsiona la función social de los medios y provoca rechazo. Las distorsiones que introduce el credencialismo son destructivas. Si la gente no cree en las entrevistas, noticias, declaraciones, títulos, premios ni currículos, todo se complica. Esto lleva a recursos desesperados como el de los políticos que firman sus promesas ante notario, con la esperanza de ser creídos. No sucede en todos los países, y que suceda en México refleja una desconfianza extendida. La contrapropaganda sobre la falsedad del cumplimiento puede ser eficaz en una campaña electoral, pero no resuelve el problema de fondo, porque es interesada. Más bien refuerza la desconfianza en todos los políticos. Lo que hace falta es la constatación de alguien que inspire confianza y vaya a investigar la verdad de los hechos contra los dichos. Curiosamente, en México no se da importancia a los procesos de verificación. La distorsión credencialista ha llevado al desánimo y el cinismo. Verificar las afirmaciones de los políticos parece tan ocioso como verificar las afirmaciones de un comercial. Pero no hay que tomarlo así, ni siquiera en el caso de los anuncios de remedios maravillosos para la calvicie. Permitir la impunidad declarativa destruye la confianza en la vida pública. Para empezar a remediarlo, hay que tomar en serio los currículos. Ocasionalmente, hay escándalos 36 por un funcionario que ostenta títulos universitarios que no tiene, o peor aún: oculta fechorías, a veces mayúsculas. Hay fraudes curriculares también en el sector privado, aunque no suelen salir en los periódicos. En los Estados Unidos existen despachos especializados en preparar un currículo vendedor, y los que buscan empleo pagan por el servicio cosmético. Naturalmente, los reclutadores de personal saben (o deberían saber) leer entre líneas para advertir lagunas, oscuridades, embellecimientos o fraudes. A pesar de lo cual, se cometen errores muy costosos. Tener especialistas independientes que verifiquen todas y cada una de las afirmaciones de un currículo puede mejorar el reclutamiento y evitar sorpresas desagradables. Los notarios tienen fe pública, y algunos pudieran especializarse en certificar currículos. Recibirían todo lo que documente las afirmaciones del interesado y procederían a investigar la verdad de cada una. Hay agencias de investigación de personal, crédito, due diligence, seguridad y detectives cuyos métodos o servicios pueden combinarse con la notaría. Finalmente, el notario extenderá un currículo certificado que incluya únicamente lo que pudo comprobar, y que podrá ampliar cuando haya nuevos hechos verificados. El servicio lo pagaría el aspirante, que así ganaría rapidez en el procesamiento de sus solicitudes de empleo, con la ventaja de que las personas que informen sobre él no serían molestadas una y otra vez. La certificación sería portátil de una solicitud a otra. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Notarías curriculares / Gabriel Zaid El mismo servicio, sin costo para el interesado, debería darlo la Secretaría de la Función Pública a todo el personal del sector público. En el caso de que después resulten falsedades, el castigo deberá ser también para el funcionario que no las advirtió. Habría que hacer lo mismo en el Instituto Federal Electoral para todos los candidatos, con cargo a los partidos. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 Una opción ciudadana sería construir una Wiki curricular, a la manera de la Wikipedia, donde aparezcan todos los currículos oficiales de figuras públicas para ser objeto de verificación por cualquiera que tenga información y la acredite con seriedad. Contribuiría poderosamente a que se desinflen los currículos mentirosos o exagerados y a que salgan a luz omisiones significativas. 37 �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels1 Lorin Loverde ABSTRACT New business models are emerging in the 21st Century as markets are going global so new worldviews are needed to compete in these new economic and social contexts for business. For international business management these changes are reflected in the need of trustworthy information to support the Knowledge Management (KM) that is now expanding the research into areas guided by principles of innovation, collaboration, sustainability, and harmony, most of which were not seriously considered in 20th Century management models. In this article an emerging business model of corporate multiplexing is introduced. KEYWORDS Business, management, international, global, knowledge. RESUMEN Nuevos modelos de negocio están surgiendo al tiempo que los mercados del siglo XXI se vuelven globales, por lo que es necesaria una visión mundial para competir en estos nuevos contextos económicos y sociales de negocios. Para los administradores de negocios internacionales estos cambios se reflejan en la necesidad de información confiable para soportar la administración de conocimiento (KM) que actualmente está expandiendo la investigación hacia áreas guiadas por los principios de innovación, colaboración, sostenibilidad y armonía; la mayoría de las cuales no fueron considerados seriamente en los modelos de gestión del siglo XX. En ese artículo se presenta un modelo emergente de negocios de multiplexación corporativa. PALABRAS CLAVE Negocios, administración, internacional, global, conocimiento. INTRODUCTION There was a time when many companies in developing countries did not have to consider international or global conditions. Indeed, many of such countries protected national industries through high import duties, complex (unfathomable) local legal systems, and regulations that directly or indirectly discriminated against foreign competition coming into these countries. Protectionism is breaking down. Today national companies in developing countries are themselves going international and even global. National companies attempting to continue strictly 38 Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 NASA lorinloverde@hotmail.com �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels / Lorin Loverde within their home borders are facing an increasing international competition from both developed and in developing countries. In this manner national companies face many new problems, such as changing business models, accelerated changes in markets, cross-cultural knowledge management methods, a shift to international management, and higher levels of leadership. Dynamic Markets Leadership is a new theory of leadership that is designed to meet even greater rate of change in the 21st Century as compared to the leadership models developed during the slower rate of change in the 20th Century.2 The need of new leadership models is indicated in Ray Kurzweil’s projection that point that compared to the 20th Century the 21st Century will have 20,000 years of progress as measured by the rate of progress in the year 2000.3 NEW BUSINESS MODELS National, transnational, or global? These accelerated rates of progress will be driven by basic science and technology, as well as local cultures and globalization. There are two basic approaches to globalization. The first is merely to expand one’s company to apply its same business model in more and more countries until it spans the globe. The second is to consider the world as a whole and adapt one’s business model to fit different national values and assure sustainability across the global environment. There are hidden risks in globalization. For example, it was pointed out by Ken Wilber in his book, A Theory of Everything:4 [...] humanity is destined to remain victims of a global “autoimmune disease,” where various memes [stages] turn on each other in an attempt to establish supremacy. This is why many arguments are not really a matter of the better objective evidence, but of the subjective level of those arguing. By vertically distinguishing a number of levels or stages of human development, Wilber argues that at one stage of social development the executives will interpret globalization from that worldview, while at another stage they will have a different worldview and sense of ethical responsibility. Thus, settling into a general horizon and interpretation through one of those horizontal worldviews on a Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 particular level of human development will also drive strategy. One consequence of faulty strategy is that competitors on one lower level will seek to overwhelm competitors on another lower level, leading to ruthless competition. Business ethics and corporate social responsibility in international management are becoming even more important.5 Part of the problem arose because of how international management changed in the multinationals. Basically as companies expanded from their origin in one country, they faced problems in foreign markets such as different languages, different laws, different business practices, and different market preferences. The solution was to designate a regional manager who knew the local conditions. However, that form of “decentralization” was flawed; the regional manager tended to use his or her local expertise to run a division in any way he or she saw as necessary. This regional power and control often degenerated into countries following not specified or expected practices with respect to headquarters. The multi-national company kept its executives and board of directors in the home country, run with that national mentality, which was often one with a sense of superiority. Still, different countries do have different business conditions. So the transnational corporation arose as an attempt to adapt in international management to local conditions but avoid the local power structures of the regional manager in the multinational company. In a transnational, the idea is to take the best of the regional management and bring them into corporate headquarters to achieve genuine cultural diversity to their international management instead of an ethnocentric management style that dominated all the foreign divisions. In addition to 39 �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels / Lorin Loverde cultural diversity, the transnational model used the central executive management as a clearing house to receive information about best practices and help expand them into other national settings where they might also work. Thus cross-cultural knowledge management systems became important. Centralization vs. decentralization in global contexts In international management the business model of a single global brand like Coca-Cola® is highly attractive on the retail end of the value chain, but many other brands run into a fragmented diversity of national market preferences, regulations, and local distribution channels. A locally adapted brand is easier to sell, but that business model runs into fragmented design, assembly, and distribution problems on the sourcing and production end of the value chain that vary with each local market. All of these are tricky trade-offs and balancing exercises even in traditional markets6 where there are still minimal pressures in the value chain. With the exponentially compounding problems of 21st Century new market7 pressures there were new demands such as rapid product life-cycles in the early production end of the value chain. How long will the traditional markets of the 20th Century stay relatively stable? Technology is one but only one crucial variable in the rate of change; technological innovation is accelerating and the rate of market adoption of it is also accelerating. From around 1950 to 2000 it took a few decades for a scientific breakthrough to become a feasible technology, and over 20 years to go from the early adoption of the new technology (the phase of 40 introduction when it is expensive) to the late adoption of the widespread version that becomes inexpensive, which Kurzweil3 describes in detail: Today the delay between early and late adoption is about a decade, but in keeping with the doubling of the paradigm-shift rate every decade, this delay will be only about five years in the middle of the second decade and only a couple of years in the mid-2020s. Given the enormous wealth-creation potential of GNR technologies [Genetics, Nanotechnology, and Robotics with Strong Artificial Intelligence], we will see the underclass largely disappear over the next two to three decades….8 Cross-cultural relations will also accelerate in these more dynamic markets. This is not merely what started out in the late 20th Century as the trend toward Globalization when the multi-national corporations simply extended their central command structures and homogenized products to more and more countries. In the 21st Century we can expect to see corporate alliances across cultures integrating their respective specializations through cooperative agreements. The business model of one large central and dominating control system will break down in the face of cross-cultural complexity, diversity, and alliances. Continual adjustments will have to be made to the demands of mass marketers with their own centralized warehousing and point-of-sale advertising with market-making capacities (e.g., Wal-Mart) at the sales end of the value chain. Next add in the strategic global chess game of Outsourcing to slash production expenses, or regional alliances to slash national distribution expenses, or financial strategies to better hedge currency exchange rate variations globally. These are only some of the accelerating changes in 21st Century markets. Some issues are still best met by the older centralized business models, such as standardized components and product image to reduce assembly costs and shift excess inventory from low demand areas of the global market to high demand areas. Other issues like new product introduction are best met by decentralized business models, and the first step towards a new leadership model was Level 5 Leadership, identified in research by Jim Collins,9 which involved the head of a company seeking to develop leadership and Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels / Lorin Loverde collaboration in the levels below so not everything depended on top-down command and control. In all of these scenarios, the necessity for rapid changes, flexible adjustments, and unprecedented innovations run into more and more barriers to distributed leadership and cross-cultural knowledge management caused by inadequate skills in human dimensions rather than technical areas. These barriers include misinterpretations during human interaction,10 unwillingness to cooperate, minimal competency in collaboration skills, and the lack of vision to understand what is going wrong or could go wrong. All of these are subjective areas that deeply affect the ability to use intellectual capital and the corporate knowledge base. So some of the most basic questions here are the questions of knowledge: What is it?11 How do we capture it and make it accessible to those who need it? These questions seem innocent enough, but they are compounded by the additional complexity of multiple interpretations.12 What is needed is a serious review: What are the major challenges to Knowledge Management and what are the most important problems for it to solve? THE CHALLENGES OF KNOWLEDGE MANAGEMENT Many experts agreed that KM over the last several decades has evolved from a more technical discipline (knowledge capture and retrieval, especially with computers) to include the human dimension and more cultural issues (consideration of subjectivity, mind sets, and how knowledge can accelerate social/ economic development of countries). Leading KM people also recognized the need for in-depth study of these complex and powerful subjective sides of knowledge.13 An important observation for leaders seeking to use KM was the one made by Hubert Sant-Onge.14 He said organizations need to have knowledge well-orchestrated and developed as a community to keep up with accelerating change, but factors like Intellectual Capital permeate the organization so they are not easily recognized as being a contribution from Knowledge Management. That means the principles of knowledge are not clear enough for it to stand out and be managed. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 Peter Pawlowsky15 agreed that KM is often defused into many other different functions so it is not labeled as KM. In education KM has few pure degree programs devoted to it; usually is showed up as a module in an Information Technology (IT) degree or a Master’s degree for executives. KM has divided into various segments that are not well integrated, such as decision making, systems, cognitive research, and cultural factors (appearing in Human Resources or Intellectual Capital). He sees future areas of emphasis in the research of monetary productiveness of KM. How is it making us more money? How to relate social media like online communities into corporate activities? He believes KM can contribute more to idea performance, crisis management, and business leadership. KM must look for ways to handle the subjective factors, such as values, beliefs, mind sets, cultures, and a progressive view. The senior leadership in KM has already taken these issues seriously, but they are concerned that the younger generations of management might not continue to seek similar improvements. The younger researchers did not see a “step program” that could be relied upon to train up and coming managers. The guiding principles are becoming innovation, collaboration, sustainability, and harmony, much of which was not seriously considered in 20th Century management models based on bureaucratic organization, independence of departments, and top-down command and control over departments in medium sized companies and corporate divisions in large or global companies. All of these plus other intuitive processes are becoming more important as Dynamic Markets grow locally and globally. For example, in cognitive research, Jose Luis Abreu, founder 41 �International management and knowledge management; National, transnational, and global levels / Lorin Loverde of the Neuroeconomics Research Center in Monterrey, Mexico, has explored the higher-order neuro-processing involved in the transition from computational reasoning to intuitional decision making.16 …the difference between the computational step and intuition: the computational step is the analytical process, whereas the intuition can be viewed as a latent process that is running in the ‘background’ of the decision-maker, requiring less processing capacity than the computational step... [...] it has been hypothesized that the capacity of the human mind for solving complex problems determines whether the potential behavioral outcomes are mainly driven by the computational step or by intuition. If the capacity of the human mind is relatively small (large) compared to the size of the problem that needs to be solved, intuition [...] may be the main driver. NEW TYPES OF LEADERSHIP In a nutshell, on one hand the KM experts were looking toward further expansion of the discipline to include the subjective sides of knowledge. On the other hand, Dynamic Markets Leadership17 expands the scope by explaining how to use the subjective sides of knowledge, consciousness, culture, and Intellectual Capital in international management. The New Planetary Culture is oriented toward integrating into a theory of leadership themes of knowledge creation, mental models, cultural horizons, group consciousness, organizational communities, open learning space, corporate culture, 42 social culture, cross-cultural knowledge, worldviews, and civilizations. Globalization brings many benefits but also has its shadow side with risks that leaders are not likely to perceive if they themselves do not go through strong transformations necessary to advance to higher social and cultural levels. Thus, many of these risks are tied to the level of cultural development on which exist the business leaders and specific markets. The new leaders involved in KM must handle the following concepts: • Creativity: New leaders quickly get into gear with skills at the early creation and product design end of the value chain. It is not easy for a global company (or aspiring global competitor) to develop new types of leaders. • Revitalization: 21st Century leaders also will need to excel at implementation and maintenance during the maturing phase of the product/market. Here companies need to bring to the surface again the hidden presuppositions relied upon in the creative phase to avoid crystallization of ideas and procedures, as well as crystallization of power within the company that can become divided into empires. • Sharing: cross-cultural Knowledge Management is needed to get people from multiple countries and multiple cultures to talk the same language. This requires more than psychological altruism across business units; this requires shared assumptions, presuppositions, values, and worldviews globally that also allow for unity through the diversity. Generally speaking, the conventional wisdom of either business models or international management models from the 20th Century do not address in depth how these problems of variation in cultural values, mental models, and civilizational horizons affect an individual corporate culture and international corporate alliances. The emerging business model is the integration of many new models. 18 These models include new customer needs (appropriate consumption and sustainability), decision making (distributed leadership), economics (accelerated market changes), psychology (cooperative as well as competitive), new ontology (Non-Dualism), and the Co-Primacy Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels / Lorin Loverde of Ethics. Ethics takes on an important role in globalization efforts because it is neutral ground based on rational justifications for normative rightness. When different nations, cultures, and religions do not share similar laws, values, or faith, then the commercially driven standards offer neutral ground to handle differences. This new orientation opens up ethical diversity, emancipatory thinking, and new organizational structures that link up companies in joint ventures, corporate alliances, and other forms of corporate multiplexing. These new cross-cultural organizational structures require postmerger or post-alliance integration at a high level of cultural integration that includes myths, stories, standards, values, and principles. It has parallels in Quantum Theory and Complex Adaptive Systems theory. Unlike ordinary knowledge that is based on the forms of things, much of the new challenge to international management based on Knowledge Management is the subjective side of things, the inner world, and the essence. A NEW APPROACH TO BUSINESS DEVELOPMENT: MULTIPLEXING International management requires companies to “fix” their organizational capability. In addition, there are also ways in which the subjective side of Knowledge Management allows us to conceptualize new evolutionary trends about the phases of business organization itself. If this is correct, the higher evolutionary stage will not easily be something “fixed” that started out as an earlier-stage company and merely got more complex. Instead, it will be more than a complex corporate species. I refer to this stage in Phase Three as the corporate multiplex. Corporate Multiplexing is a way of extending the capabilities of a company; for example, instead of growing slowly by waiting for increased sales, a company can extend its markets by an alliance with other companies that already have market penetration in other countries (that is how national airlines can offer international service). Instead of expecting for other governments to grant approvals for doing business there, Corporate Multiplexing can form an alliance or sell licensing rights (that is how the VHS recording format overwhelmed Betamax). Instead of waiting for an accepting stock market in one’s own Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 country, Corporate Multiplexing shops the stock markets of the world to see where they can make better stock Offerings. Most importantly, Corporate Multiplexing can use international partnerships or Mergers and Acquisitions to expand, which is where a crucial factor comes to light: successful extensions through other companies require the Corporate Multiplex to achieve new organizational design that supports collaborative relationships rather than “taking control” of another company. Based in their evolution and characteristics the organizations will transit through different phases: • Phase One: Traditionally, a business started out with a few key people and grew by increasing its sales and therefore added on subordinates to increase capacity. Beginning around the time of the Protestant Reformation, that was a One-party business ownership system that emphasized building the business alone and maintaining complete control. Some of these companies continued to grow and became national or international giants, whether as privately owned or publically traded. • Phase One-A: Then new business models in the 21st Century began to improve on that approach to the earliest phase of business start-ups; they emphasized business operations where authority and control were defused throughout the corporation, also with an emphasis on cultural values and cooperative management teams. • Phase Two: Next, as early Capitalism began to expand these more cooperative organizations struck up Two-party joint ventures, whether the 43 �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels / Lorin Loverde businesses were privately owned or publically traded companies. By combining forces with another company that had new areas of competence, the first company could suddenly expand. • Phase Three: The next stage along this path of corporate evolution is the Corporate Multiplex. Here one party forms teaming relations with one or more outside companies, subcontracts out specialized tasks, and suddenly constitutes a new corporate capability where none existed before. Multiplexing requires an unusual degree of future vision, cooperative personalities, technology integration and modularity. The barriers to Multiplexing are to be found more in the consciousness than in the business structure itself. Once we see the evolutionary trend in organizations towards multiplexing and appreciate its power, we can begin to structure our business efforts in ways that will make multiplexing easier. The different aspects of the corporative multiplexing in relation to one and two party companies are compared in table I to give an overview of the implications of their implementation. Table I.A. Characteristics of Company Types. ISSUE ONE-PARTY COMPANY TWO-PARTY COMPANIES The extended corporation: CORPORATE MULTIPLEX 1) Vision Focus within the company, develop internal capability, change only with difficulty. Stage One-A re-focuses to vision statements that embrace change. 2) Identity A few owners build their own Co-owners share control. asset base, impose control. Stage One-A shares ownership, fosters psychololgical identification with the whole company. 3) Energy Financial strengths slowly built up for independence. May go public. Emphasis on looking strong. Sudden multiplication of financial strength due to the pooling of resources between the two companies. Financial strength is limitless: international Sourcing of capital and unique financial engineering puts together the money that is appropriate to the new business. 4) Goal What we can do within our own limits, gradually increasing. Stage One-A does reengineering but we still are just one company. Our goal is expanded to what we can accomplish together cooperatively. Sudden new strengths found. Our goal is what we can do globally without preconceived limits: Form teams with whatever companies needed. Leapfrog over competitors who are slow and working alone. 5) Key Values O w n i n g , c o n t r o l l i n g , Sharing, trusting, opening dominating, being sure of new areas together. what is next, minimizing risks, specializing. Stage One-A shifts to such values as creativity, innovation, change and group participation. Seeking explosive growth, integrating, finding underlying systems, understanding key trends, building sustainable growth, preserving the environment, quickly disconnecting as markets mature. Value people as the key to success. Maximize creativity, leadership and mutual responsibility. 6) Fears Launching in the wrong direction, since we reach results so rapidly it is more dangerous to accomplish all that and then find out it is the wrong opportunity. 44 S e e t h e l i m i t s o f o n e Quick strike in the market, quick company and seek alliances disconnect. or joint ventures. Typically form long-term relations that are difficult to change. Losing your grip, not knowing Losing secret information or what is going on, taking too technology. much risk in unknown areas. Giving more to your partner than you receive. Core company shares ownership among the executives and employees. Modular relations to other companies so that it does not have to own everything internally. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels / Lorin Loverde Table I.B. Characteristics of Company Types. ONE-PARTY TWO-PARTY MULTIPLEX 7) View of Technology ISSUE It is the tools we use, a mode of control, and it lets us do more of what we want. Develop and keep it in house. It is a source of growth, but our company does not have all the technology needed so combine with another company. It is a detonator for explosive growth. It has to be structured and organized for quick implementation and flexibility so we can steer the rapid change. 8) View of core Stick to your core industry, support tried and true business practices. Suspect conglomerates. Look for vertical integration. Stage One-A: The core is also values, business practices, deep corporate culture. Each company retains its core business, but we enhance both by the joint venture. Multiple cores within our company based on underlying systems integration. Therefore seek out many market opportunities, then interlink with specialized partners as needed. 9) View of the Stage One: Minimal contact Customer with customers. Manipulate customers with advertising, packaging, etc. Stage One-A: Get close to the customer, understand his needs, keep his trust. Select our joint venture partner according to who will create real value for our customers. See an endless customer base. Form close relationships with partners and with customers. Give the customers more than they expect, raise the level of competition. Where necessary, empower customers with innovative financing or project finance. 10) Organizatinal Stage One: Hierarchy, control Structure oriented. Stage One-A: Flat, empowering of people, streamlining processes, fostering innovation, trusting the elements to excel in light of the whole. Empowering each company to contribute to the joint venture. Establish new guidelines for cross-company cooperation. Set up the organization to handle almost limitless growth, quick connection to other companies, and quick disconnects. Networks of relationships developed ranging from suppliers to customers. Modularity. Common cores. Cross training in functional technologies. High integrity. Personal creativity. Transcendent motivations. 1 1 ) B a s i s f o r Grow ourselves, go it alone. Build relationships that Develop the ability to join forces with continuity Consolidate information in the will last. other team members quickly and value hands of a few. the disconnect. Do not stay together Stage One-A: Fundamental just because. Share information in real principles. time to maintain continuity through the change cycles. 12) Personality Stage One: Domineering, of the winners mistrustful, selfish. Stage One-A: Selfactualizing but still individualized. Self centered. Stage One-A: Innovative, cooperative, identify with the company as a whole. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 Cooperative. Appreciate new views of one’s joint venture partner. Totally new kind of person going beyond self-actualization and cooperativeness, adding: •T r a n s c e n d e n t m o t i v a t i o n s Comfortable with systems thinking • Interdisciplinary • Not intimidated by limits • Highest integrity • Unselfish, willing to empower others •Endlessly creative, eager to change. 45 �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels / Lorin Loverde WHY MULTIPLEXING IS NOT READILY USED There are many reasons that slow down the cooperative implementation of multiplexing, and those reasons include: (1) personality, (2) theory, (3) organization, (4) information, (5) finance, and (6) hollow corporation limitations. 1) Personality Personality limitations to Corporate Multiplexing are very complicated and perhaps the most difficult to overcome. Some people are well developed, creative, innovative, eager to embrace change, adventurous, trust worthy, cooperative, and altruistic. Such people have the kind of personality that can enjoy multiplexing. Most people fear change, fear letting go of assumptions too quickly, cannot trust others when the rules are not rigidly in place, and do not understand underlying principles. These people need safe harbors within which to work. They mistrust others and do not have enough integrity to inspire others to trust them. The old corporate personality in Phase One experiences change as loss, and that personality has to be convinced to change. The new corporate personality in Phase One-A experiences change as progress and tries to change even if it is uncomfortable, since this personality realizes that change is necessary. The new Two-party personality in Phase Two experiences change within the limits of the new Two-party mission of the joint venture. This new mission is experienced as interesting and these types of people then want to explore more opportunities. The new Multiplex personality in Phase Three experiences change as exciting because new opportunities are suddenly opening up, which would not exist without the new alliances and teaming relationships. Further, these personalities expect the markets to mature and the old-style competitors to catch up to them, so that they are already prepared to pioneer other new business sectors in the future. They are capable of quick disconnects from the teaming alliances in the Corporate Multiplex and ready to form new ones. This personality trait of being wise enough to disassemble outmoded structures is very important. Where the old structures of ego-centric consciousness in the personality want to hold on to old success stories that are past their usefulness, that personality is too insecure to function well in the Corporate Multiplex. The old personalities in bureaucratic organizations do not easily appreciate new ideas. When you talk to them about new opportunities that have never been tried before, they do not know how to take those opportunities. They either cannot make meaningful contributions to the new concept, or else they fake interest and simply repeat back to the innovators slight variations on the new ideas already proposed. Because they do not understand or are faking it, they quickly get tired of pursuing these ideas. They will not be able to see the connections between the abstract ideas and the real problems of production and marketing. These are not problems of ability or business intelligence; these are problems of lack of multileveled perspective. By contrast, the new personalities who thrive in Corporate Multiplexing will quickly envision and appreciate new ideas. They will get excited about good ideas because they will have quick insight into the previously unknown opportunities. When they talk about the new areas, they will each be contributing meaningful improvements to the idea, extending it, and testing its limitations. They will be able to discuss these ideas almost without rest because of the level of excitement. They will make meaningful connections and linkages between the abstract ideas and the concrete implementations of them for profitable productions. 2) Theory The theory structures that slow down the implementation of Corporate Multiplexing include over specialization, over-emphasis on applications, 46 Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels / Lorin Loverde demands for excessive proof that a decision is right, and limitation to five-sensory information. These people specialize in something so that they can feel control over their environment. Their theory structure attempts to predict all the variables that they will face. To gain that predictive security, they narrow their efforts to smaller and smaller business sectors. When they want to expand, they demand that new experts be brought in to gain the same control over the new field. Thus, they can expand, but they do it slowly and with great difficulty. They lack a unified theory, a systems approach that can work in many different business environments. These people also are too hypnotized by what seems to be “practical” and have immediate applications. They can only see the opportunities that are simple variations on the unacknowledged theory structure that they share with their competitors. When they try to reach more fundamental levels, it is usually only in the research and development labs where they do some basic research...usually, not too much. Thus grew most of the companies in the 20th Century, not too quickly. These seemingly aggressive executives are covertly frightened of exploring the vast, the wild, the unknown where creative ideas lurk. Where there is now a greatly successful idea that started ahead of its time, you will find in its early stages executives who missed seeing it, did not see an application for it (non-permanent glue for temporarily posting messages to any surface), laughed it off (talky movies when all that was known was silent movies), attacked the innovators (early cell phone manufacturers verbally abused by companies trying to do the same thing with line-of-sight satellite transmissions), etc. All of this happens in part because of their ways of seeing and thinking. Another factor, however also exceeded their narrow perspective, namely, when the new idea carried within it the seed of and need of a new world. This more complex form of creativity requires not only doing something new but also creating the surrounding world of a new context, such as infrastructure, customer education, or new standards for appreciation. Large-scale examples are electricity, the automobile, radio, television, computers, the internet, etc. Smaller scale examples are the mouse for personal computers, a special application software, etc. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 So the opposite to this type of limited vision is the highly innovative entrepreneur who starts up a company because he has found a whole new product or opportunity. Corporate Multiplexing requires that the same entrepreneurial spirit be kept alive by having people understand the deep theory structures underlying both scientific applications and business applications. The shallow theory structures also show up as a demand for excessive proof that a decision is right. These kinds of people try to gather endless amounts of data instead of getting first-hand experience of what opportunities are there and how the market will respond. Again, we find that the main issue is a problem of consciousness rather than ability. Practical people with direct applications of the old theory structures could succeed in the 20th Century because everyone competes with the same foundation. Where companies continue with their same business models and management styles today, they are relying on the assumption that what worked in the 20th Century will be good enough for the 21st Century too. Corporate Multiplexing is assisted if people have strong intuition and go beyond five-sensory types of evidence. They can work with hints, emerging trends, and sudden insights in order to come to decisions about what business opportunity to explore. This capability is not easily taught, but in forming a Corporate Multiplex we can be aware of its importance and hire new people who also exhibit this strength of multi-leveled perspectives found in the new structures of consciousness and the new business models they use. 47 �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels / Lorin Loverde 3) Organization Organizational limitations that slow down the implementation of Corporate Multiplexing are very powerful and usually overwhelm people who have good intentions. The traditional companies are organized to impose control from the top down by a few people on the many employees. The old-style organizations breed mistrust and require individuals to pursue their own selfish agendas in order to get ahead. These organizational dynamics completely undermine Corporate Multiplexing. Organizations are also typically divided into functional departments that do not communicate well with one another. If the organization’s administrative, marketing, production, and finance departments cannot cooperate, then it cannot even progress to Stage Two where joint ventures are formed. Process reengineering may be necessary to streamline the organization and make it process oriented rather than department and function oriented. The old structures of consciousness are used to those organizational limitations that functioned in the 20th Century. For centuries the simplified paradigm of empiricism, centralism, efficiency, massive size, and control worked up through the 20th Century. A discipline bestowed by multi-leveled perspectives that is missing but needed there can be seen in the results of mergers and acquisitions (M&A), which comprise a financial sector worth trillions of dollars. Yet most of the promised gains from mergers or acquisitions do not materialize because the two organizations are not capable of working together. Post-merger integration is the most important part of the opportunity and the least understood in the 20th Century. The two (or more) 48 organizations see differently, assess value differently, assess risk differently, predict differently, recognize trustworthiness differently, criticize differently, form alliances differently, and on and on. The differences go deep into values and corporate culture because the two organizations grew up each with their own way of capitulating to executive top-down power and control. Each had become experts in pleasing the boss, but the bosses were different: different prejudices, biases, whims, fears, and points of stubbornness. Within one organization the inabilities to adjust were sorted out so that incompatible people were marginalized and terminated: power imposed order. When, however, two organizations have to get along, the resort of the power of one is resisted by the other organization that has been long trained and disciplined to respond in a different way to the whims of a different power. Severe power conflicts typically result in post-merger or post-joint-venture disintegration. Frequently the best intellectual assets of an acquisition walk out the door. In a joint venture, the venture partner simply says “I do not have to put up with this…” and the whole company or its intellectual assets walk out the door. 4) Information Limited information and inadequate information technologies often slow down the implementation of Corporate Multiplexing. By its nature, multiplexing means getting a lot of parties to cooperate and interact, so the quantity and quality of information exchanges involved are very high. The Phase One companies since the beginnings of Capitalism breed secrecy and information hoarding. Specialized departments rule over their own realms and disdain others who are not experts in their functions. The productive process is restricted as one departmental function hands off the business development or product to another departmental function. Without integrated processes, there are endless opportunities for error, confusion, and noncooperation. In Phase One-A companies in the 21st Century, international management requires there to be a new emphasis on integrating the processes, finding the underlying patterns and continuities so that all the people involved become responsible for the ultimate success of the product. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels / Lorin Loverde To accomplish process integration, the company has to also accomplish integration of information systems. Common systems, integrated networks, and on-line real-time systems are fundamental. Logistics control involves the entire supply chain including sourcing components and materials, scheduling outsourcing production, shipping, warehousing, distribution into the distribution channels, monitoring sales, predicting customer requirements, and advanced planning to maintain the international flow of goods. Knowledge Management systems also are important for the identification, capture, data warehousing, and universal availability of expertise throughout the corporation for all levels of decision making. When the Knowledge Management systems are used to integrate information technology with value-added productivity in international and global markets, the company has an important tool for both the learning organization concept and distributed leadership. It is important to recognize that KM does not work independently of the structures of consciousness of the designers and users. We need to know for what purposes we will use KM so we can organize it well. We need to have the culture of “input” to capture the information with which KM will work. If we are not already willing to cooperate and share knowledge, a KM system will be limited by our hoarding of knowledge. 5) Finance Financial limitations to companies are also very powerful incentives to try Corporate Multiplexing. The traditional approach to corporate finance specialized in the money aspect. The Phase One Company developed its own asset base, so corporate finance had a treasurer who borrowed money or issued Stock for a known entity with a “credit rating.” If their company was too small, they simply would wait for it to grow and gain credibility. But in Corporate Multiplexing, they combine many talents that go beyond the simple aspect of money. Here they have to be dealmakers and financial engineers, as well as organizational development people. The assumption of the Corporate Multiplex development is that the core company does not have to be everything: it can do what it needs to do by quick alliances. Therefore, the capitalization portion cannot be done after the fact. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 The multiplexer has to envision the new business opportunity, negotiate with joint venture partners, structure the financial support, and organize the relationships that will allow the new venture to be successful. If the multiplexer tries to wait until after a deal is done to find the financing, the deal will probably never get done. What we need to finance does not yet exist. This is more typically a venture capitalist approach, except that in the Corporate Multiplex, the founders are both the venture capitalists and the entrepreneurs. The dealmakers in the Corporate Multiplex are not just capitalizing an existing corporation; they are envisioning new structures and creating what they envision. They have to understand the details of new business opportunities that would not exist without the other partner companies. Thus, the Corporate Multiplex executives have to be dealmakers who are: a) Entrepreneurs who envision the new markets. b) Negotiators who convince other companies of new opportunities and then structure the new relationships as dealmakers. c) Networkers who have the relationships and trust needed. d) Financial engineers who find the capital support and structure attractive returns on investments for all parties need a better evaluation of intellectual capital.19 e) Organizational development people who restructure the cooperative partnerships to quickly align their management philosophies, corporate cultures, and production processes for cooperative work. 6) Hollow corporation limitations The idea of the “hollow corporation” refers in part to the issue of where the manufacturing 49 �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels / Lorin Loverde SUMMARY National companies need to prepare for international management. • First, their country borders are opening, so their competitors and suppliers are no longer all domestic companies. To sustain a competitive advantage they need to think and act in an international context. • Second, just like transnational companies the new competitors have gained power through Knowledge Management, Supply Chain Management, and the kind of value for cultural diversity that makes them more appealing locally. • Third, the adoption cycle of new products is shrinking to only a few years in many industries, so nationally produced products can be quickly outdated. • Fourth, Knowledge Management itself is fast changing into cross-cultural KM that must handle values, beliefs, mind-sets, and cultures in addition to mere information. • Fifth, organizational design and business models themselves are changing to adapt to global competition. Corporate multiplexing is a way of building an extended organization through licensing, outsourcing, joint ventures, projectlevel partnerships, and international capital structures to finance them. • Sixth, the new international managers who handle these areas even for national companies are becoming multi-faceted Deal Makers, Organizational Designers, and Financial Engineers. NASA expertise resides. Frequently, multiplexing meant outsourcing to production facilities in foreign countries. The result was that the home corporation became hollow: it was a headquarters but had reduced manufacturing capability. Hollowing is a relative problem. On one hand, the hollow corporation does lose its manufacturing facilities, if it so chooses. Worldwide outsourcing is possible in many industries, and the home company becomes a vast design, purchasing, logistics, and marketing company that buys its products made to its own specifications. The many advantages of e-commerce and e-business allow internet facilitation of both sourcing and sales, and everything along the chain of supply chain management, enterprise resource planning, and a variety of other computer systems. A hollow corporation may become stronger in research and development but weaker in production. On the other hand, multiplexing has no set form. Some companies form strategic alliances with other companies strong in production. The capital investment in production companies helps to keep a strong relationship. While the production is not “in-house” for the home company, there is still an ownership of production capability through a joint venture. Finally, the issue of “lost” production capability may be more a question of nationalism than of Capitalism. If the world is less secure politically, the home company takes a risk that its outsourced production could be interrupted by political/ economic upheaval in the countries from which it receives its contracted production. 50 All of the facets of corporate multiplexing in international management described herein require a high level of ethical integrity to allow the interpersonal relationship to develop the mutual trust needed to work across departmental, corporate, and country boundaries. Traditional companies of the 20 th Century with top-down command and control management systems will predictably have a difficult time with the changing market demands in globalization and the more complex international management relationships like corporate multiplexing that global competition requires. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �International management and knowledge management: National, transnational, and global levels / Lorin Loverde NOTES 1. Portions of this article are excerpted from the author’s book, Dynamic Markets Leadership, copyrighted in the USA and is In Press, 2012. 2. Loverde, Lorin J, Dynamic Markets Leadership: a Multidisciplinary Approach to Business and the Hidden Soul of Capitalism, which comprises Volumes I and II of New Planetary Culture: a Multidisciplinary Approach to Dynamic Fields Leadership in the Coming Eras, Portland, OR: GDI Press, In Press, 2012. www.governancedynamics. org See Introduction. 3. Kurzweil, Ray. The Singularity is Near: When Humans Transcend Biology. New York: Viking Press, 2005. p. 338. See also www.kurzweilAI. net 4. Wilber, Ken, A Theory of Everything: An Integral Vision For Business, Politics, Science, and Spirituality, Boston: Shambhala, 2011, p. 24. 5. Vicenzi, Richard and Loverde, Lorin, “CSR Metrics: Do they Point to Cultural and Competitive Determinants that Influence Technologically Driven Companies Toward or Away from Corporate Socially Responsible Approaches?” In 2011 Proceedings of Portland International Center for Management of Engineering and Technology (PICMET ‘11): Technology Management In The Energy-Smart World, 2011, pp. 2395-2406. 6. Markets that are slow enough in change so that top-down, Centralized command and control systems still work in them. They are internally self-perpetuating to the degree that product lifecycles allow all competitors to put forth similar competencies and strategies. Also, externally they remain in continuity as long as impacts from relevant externalities are not too rapid. 7. These new markets are ones changing too fast for top-down, centralized management models to keep up with the accelerating changes and world-class competition. 8. Op. cit., Kurzweil, p. 338. 9. Collins, Jim, “Level 5 leadership: The triumph of humility and fierce resolve.” Harvard Business Review, Jan 2001. 10. Loverde, Lorin, “Business Leadership and New Structures of Consciousness,” Ingenierias, Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 Revista de Divulgación de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, México , Vol. V, No. 15, March 2002 11. Op. cit., Loverde, Dynamic Markets Leadership. See Chapter 6, “Cross-Cultural Knowledge Management”. 12. Op. cit., Loverde, Dynamic Markets Leadership. See Chapter 7, “Structural Interpretation.” 13. International conference on Knowledge Management (KM) and Knowledge Based Development (KBD), Organized by Javier Carrillo, was held September 4, 2012 at ITESM, in Monterrey, Nuevo Leon, México http:// sistemasdeconocimiento.org/en/ 14. Hubert Sant-Onge was Senior VP of Strategic Capabilities at Clarica and Visiting Scholar at Harvard University (2005-2006). 15. Peter Pawlowsky is Director of the Research Institute for Organizational Competence and Strategy, Chemnitz University of Technology. 16 Abreu, José Luis, Brain Economics: The Spenta Model, Monterrey, México: Universidad Autónoma Nuevo León, 2011, pp. 144-146. See also Pennings, Joost, Philip, Garcia, and Eligius, Hendrix, “Towards a Theory of Revealed Economic Behavior: The Economic-Neurosciences Interface,” Journal of Bioeconomics, 7: 113-127. 17. Op. cit., Loverde, Dynamic Markets Leadership, Volumes I and II. 18. From the larger perspective of the NPC, Level 5 Leadership is the logical implication of new orientations in business. Indeed, it is also logical that there are other stages of leadership beyond Level 5. Level 6 Leadership is needed for breakthroughs beyond the existing horizon of possibilities and then stabilishing evolutionary changes in new structures of consciousness; this means people do not make breakthroughs in horizons as isolated individuals. 19. Loverde, Lorin. Intellectual Capital Evaluation: an M&A Approach, Knowledge and Innovation, a Journal of Knowledge Management Consortium International, Vol 1, No. 3, April 2001. Retrieved from http://www.kmci.org/kijournal.html 51 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera contra uno convencional Melvyn Álvarez Vera,A Severio Affatato,B Geo Rolando Contreras HernándezA, Arturo Juárez Hernández,A Marco Antonio Loudovic Hernández RodríguezA* A B FIME-UANL Laboratorio di Tecnologia Medica, Istituto Ortopedico Rizzoli, Bologna, Italy. malhdz@gmail.com RESUMEN En este trabajo se presenta la evaluación y comparación de un nuevo diseño de prótesis de superficie de cadera en términos de cinemática y esfuerzos de contacto contra la prótesis de superficie de cadera convencional. Para realizar dicha evaluación y comparación, ambos diseños fueron virtualmente implantados en un modelo de diseño cadavérico asistido por computadora. Se empleó software comercial para simular los movimientos de flexión, abducción y rotación interna a 90º de flexión para determinar el pinzamiento entre el cuello femoral y el acetábulo. Por otro lado, el efecto de carga en borde como consecuencia de varias inclinaciones y microseparaciones del componente acetabular fue analizado utilizando Método de los Elementos Finitos en ambos diseños. Además, este efecto fue validado en el simulador de articulación de cadera FIME II. Los resultados del nuevo diseño exhibieron un significativo incremento en el movimiento antes del pinzamiento de 12.8º ± 1.3° para la flexión, 7.8º ± 1.9º para la abducción y 13.1º ± 3.2° para la rotación interna. Asimismo, el nuevo diseño mostró reducción en el esfuerzo de contacto y desgaste de tipo franja durante la fase de asentamiento causado por el efecto de microseparación. PALABRAS CLAVE Diseño acetabular MARMEL, implante de cadera de superficie, rango de movimiento, daño por pinzamiento, método de elementos finitos, contacto de borde. ABSTRACT This paper presents the assessment and comparison of a new hip resurfacing prosthesis design in terms of kinematics and contact stress in contrast with that of the conventional hip resurfacing prosthesis. To perform such assessment and comparison, both designs were virtually implanted in a cadaveric computer-aided design model. Commercial software was employed to simulate the movements of flexion, abduction and internal rotation at 90° of flexion to determine the impingement between the femoral neck and the acetabulum. On the other hand, the edge load effect as consequence of various inclinations and microseparations of the acetabular component was analyzed in both designs by means of Finite Element Analysis. In addition, this effect was validated in the FIME II hip joint 52 Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. simulator. The results of the new design exhibited a significant increase in movement before impingement of 12.8° ± 1.3° for flexion, 7.8° ± 1.9° for abduction and 13.1° ± 3.2° for internal rotation. Moreover, the new design showed a reduction in contact stress and stripe wear during the running-in due to the microseparation effect. KEYWORDS MARMEL acetabular design, hip resurfacing implant, range of movement, impingement, finite element method, edge contact. INTRODUCCIÓN La artroplastia de cadera de superficie (HRA) ha sido usada ampliamente en las últimas dos décadas para pacientes jóvenes y activos como una alternativa al reemplazo total de cadera (THR). Esto se debe a ventajas importantes como son: conservación de masa ósea femoral proximal, optimización de la transferencia de esfuerzo hacia el fémur proximal dado el amplio diámetro de la articulación y el ofrecer mayor estabilidad.1-5 Sin embargo, actualmente el éxito de la HRA depende de la selección adecuada de paciente, de la curva de aprendizaje del cirujano, y de la correcta técnica quirúrgica.6,-10 A pesar de dichas ventajas, se ha reportado una reducción significativa en el rango teorético de movilidad (ROM) de la HRA con respecto de la THR,11 no obstante hay controversia debido a los resultados contradictorios entre ROM teórico y clínico de la THR y la HRA.12-14 Otro problema reportado en la HRA ha sido la anormalidad de la relación cabeza-cuello femorales. Se ha reportado que una relación reducida de cabezacuello es un factor que resulta en: pinzamiento, ROM reducido, mayor probabilidad de dislocación y patrones de desgaste anormales.15 Aparte de estas complicaciones, el pinzamiento del cuello femoral sobre el borde del componente acetabular de la HRA debido al mal posicionamiento de la copa ha sido relacionado con la fractura del cuello femoral,16 y notable desgaste de tipo franja sobre la cabeza femoral por impacto con el borde de la copa causado por la microseparación en la fase de contacto del talón en el ciclo normal de marcha.17-19 Este tipo de desgaste, llamado por varios autores como “desgaste de franja”,20,21 ha sido encontrado utilizando el Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 simulador de cadera FIME II con modo de prueba de microseparación.22,23 Además, estos hallazgos han coincidido con componentes revisados debido a la presencia de pseudotumores que han sido observados cerca del borde del implante, coincidiendo con el desgaste de franja producido por carga en el borde del implante.20,21,24 Para profundizar más en esta materia, en este artículo ha sido evaluado el comportamiento cinemático y el esfuerzo de contacto de un nuevo diseño académico de HRA llamado MARMEL. Asimismo, se discutió su posible efecto sobre la carga en borde y el mecanismo de desgaste de franja. MATERIAL Y MÉTODOS En este trabajo se propone un nuevo diseño de prótesis de HRA llamada MARMEL con el propósito de conseguir un mejor ROM antes de producirse el pinzamiento en el cuello femoral y el borde del componente acetabular. Por otro lado, se incorpora un radio del borde en la copa para disminuir el esfuerzo de contacto producido por el efecto de microseparación. Para evaluar y comparar el comportamiento cinemático de esta nueva propuesta, los diseños HRA convencional y MARMEL fueron implantados virtualmente en el mismo modelo de diseño cadavérico asistido por computadora (CAD). Posteriormente se llevó a cabo una simulación cinemática utilizando software comercial para calcular el comportamiento del ROM en ambos diseños. Además, se realizó una simulación tridimensional de elementos finitos para estudiar el efecto de carga en borde como consecuencia de diferentes inclinaciones del componente acetabular. Diseño de prótesis MARMEL Las características de diseño de los componentes femoral y acetabular de la HRA convencional se muestran en la figuras 1a y 1b. En la figura 1c y 1d se muestran los componentes femoral y acetabular de diseño MARMEL. Las principales diferencias del MARMEL con respecto del diseño de la HRA convencional son un corte de 45° del material y 1 mm en el radio de la 53 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. Fig. 1. Análisis de las características de los diseños de los implantes de superficie de cadera. a) Componente femoral de HRA convencional, b) acetábulo de HRA convencional, c) componente femoral del diseño MARMEL y d) acetábulo del diseño MARMEL. parte interna del borde acetabular, que se muestran en la figura 1d. Esta modificación en la geometría fue diseñada para mejorar el ROM antes de que ocurra el pinzamiento y mejorar la distribución de esfuerzos de contacto. El ángulo de cobertura del componente acetabular MARMEL es de 165°. El componente femoral puede ser adaptado para tamaños de 38 a 54 mm, resultando en una relación cabeza-cuello mayor que 1.2 para todos los casos. El diámetro exterior del componente acetabular es 6 mm mayor que su diámetro interior, teniendo así un espesor de pared de 3 mm. Parámetros del modelo El tamaño de cabeza femoral [Dcabeza] seleccionado para este estudio fue de 46 mm debido a que es un tamaño comúnmente utilizado.25 El diámetro del cuello [Dcuello] fue de 38.3 mm, resultando en una relación anatómica de diámetro cabeza-cuello de 1.227, el cual es un valor mayor que el recomendado por otros investigadores.11,15,26 Los componentes femoral y acetabular del MARMEL y de la HRA convencional fueron virtualmente implantados en el mismo modelo cadavérico CAD para evitar diferencias por geometrías particulares de fémur y huesos pélvicos, y otras por edad y sexo de acuerdo a otros trabajos.12,27,28,29,30 54 Simulación cinemática En acuerdo con otros autores,31,32 dos sistemas anatómicos, uno para la pelvis y otro para el fémur, fueron utilizados para definir la orientación neutral de la cadera. El plano pélvico anterior que representa el sistema de coordenada pélvico fue construido por los puntos: espina ilíaca anterior superior (ASIS) y el punto medio de los tubérculos púbicos (PT). El eje femoral (FA) corre a través de la cadera y del centro de la rodilla (KC) con la línea intercondilar pasando paralelamente al plano pélvico anterior. La figura 2 ilustra lo descrito. El componente femoral de superficie de cadera (cabeza de 46 mm) fue virtualmente implantado en la posición apropiada acorde a las características de orientación mencionadas anteriormente, manteniendo el centro físico de la articulación de la cadera a 0° de anteversión y ángulo cervicodiafisario a 135°. El componente acetabular fue colocado en siete posiciones de anteversión (-15º, -10º, -5º, 0º, 5º, 10º y 15º) y tres de inclinación (40º, 45º y 50º). Estas 21 combinaciones de posiciones de implante fueron examinadas en los diseños MARMEL y HRA convencional hasta que ocurriera pinzamiento en la prótesis o el hueso; el ROM máximo fue determinado por el indicador de colisión Fig. 2. Orientación neutral del sistema de coordenadas de referencia. Espina ilíaca anterior superior (ASIS), Tubérculos púbicos (PT), Centro de la rodilla (KC) y Eje femoral (FA). Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. del software. En este análisis no fue considerada la interposición de tejidos blandos. Se examinaron los movimientos de flexión, abducción y rotación interna de las posiciones de implante a 90° de flexión de acuerdo a otros autores.33,34,35 El centro de rotación fue idéntico en ambos diseños. La posición neutral de inicio para flexión y abducción fue de 0° de flexión, 0° de abducción, y 0° de rotación. Para obtener rotación interna a 90° de flexión, el primer movimiento fue 90° de flexión y el segundo fue la rotación interna. En la figura 3 se muestra el modelo CAD pélvico con el componente acetabular posicionado a 45° de inclinación y 0° de anteversión. La figura 3a muestra la posición de inicio, la figura 3b muestra Fig. 3. Vista lateral del modelo CAD. a) Posición de inicio, b) flexión máxima con HRA convencional y c) flexión máxima con el diseño MARMEL. la flexión máxima del componente acetabular de la HRA convencional y la figura 3c muestra la misma del componente acetabular de MARMEL. Simulación de modelo de elementos finitos Una simulación tridimensional por el método de elementos finitos (FEM) fue llevada a cabo para determinar el efecto de carga en borde como consecuencia de distintas inclinaciones del componente acetabular de los diseños de MARMEL y la HRA convencional. Los componentes acetabulares fueron orientados en dos posiciones de inclinación (30° y 60°) con el fin de representar la peor situación de implante posible, tal y como se muestra en la figura 4. Un total de 3,760 y 8,428 elementos de 8 nodos se utilizaron para construir la copa y la esfera. Se aplicó una carga fijada en 2,500 N en el centro del componente femoral orientado a 13° desde la Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 Fig. 4. a) Modelo tridimensional de elementos finitos, b) HRA posicionada con un ángulo de inclinación de 30° y c) con una inclinación de 60°. dirección vertical, vector de contacto típico durante una caminata normal.36 En este estudio se utilizaron un módulo elástico de 230 GPa y una relación de Poisson de 0.3 para los componentes de aleación Co-Cr-Mo. El huelgo diametral fue establecido a 120 μm para las simulaciones con base en diseños actualmente disponibles.2,37 Se modeló el efecto de microseparación para ambos diseños. Este efecto se consiguió separando perpendicularmente el componente femoral 380 μm del componente acetabular y luego recolocando el componente femoral en dirección vertical para generar un contacto en el borde acorde con otros autores.22,38 El modelado FEM fue resuelto utilizando el software ANSYS Workbench 13.0™. Prueba del simulador de cadera FIME II Dos implantes de Co-Cr-Mo fueron fabricados por el método de fundición para producir la configuración metal sobre metal de los componentes femoral y acetabular de 46 mm de diámetro tanto para el diseño MARMEL como para el de HRA convencional. Los componentes fueron maquinados y terminados siguiendo especificaciones controladas de implante. Para este propósito se midieron el huelgo diametral (Cd), la rugosidad (Ra) y la esfericidad utilizando una máquina de medición de coordenadas (CMM) y un Table I. Dimensiones principales de los componentes cabeza y copa. Muestra Huelgo diametrial principal Cd(μm) Rugosidad del componente Ra(nm) Esfericidad del componente (μm) HRA (n=2) 90.8-102.4 17.2-18.5 1.273-2.831 MARMEL (n=2) 95.2-107.1 24.1-21.8 1.892-2.056 55 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. perfilómetro. Estos parámetros de los componentes de la articulación se muestran en la tabla I. Se realizaron pruebas de desgaste de las muestras de articulación hasta 5 x 105 ciclos en un simulador de articulación de cadera FIME II tri-axial con microseparación. 39 Las muestras de implantes fueron montadas con una orientación de 60° de inclinación de las copas acetabulares por encima de las cabezas femorales. El perfil de carga utilizado fue el ciclo de marcha40 con un máximo de 2500 N. Las cabezas femorales fueron montadas en una cámara con movimiento rotatorio en un ángulo de 23° con respecto del plano horizontal y fueron rotadas sobre un eje vertical a una frecuencia de 1.2 Hz, llegando a ±23° de flexión-extensión, ±23° de abducciónaducción y ±7.5° de rotación interna-externa. Se programó la microseparación de 0.5 mm entre la copa y la cabeza para cada ciclo. Se utilizó suero fetal bovino (INVITROGEN 10091148) como lubricante en la prueba de desgaste. El suero fue diluido a 25 por ciento usando agua desionizada. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los resultados de este estudio muestran que el ROM es directamente influenciado por la posición en que el componente acetabular es implantado. Los resultados están de acuerdo con los hallados por otros autores.15,16 Las figuras 5-8 muestran una visión general del ROM máximo de flexión, abducción y rotación externa e interna a 90° de flexión. La simulación cinemática para cada combinación de movimiento y para todas las posiciones del implante fue examinada hasta que ocurriera el pinzamiento entre el componente o en el hueso tanto para el diseño MARMEL como el de HRA convencional. En las figuras 5a y 5b se muestran los resultados para el ROM máximo de flexión. Se observó que así como incrementaron los ángulos acetabulares de anteversión e inclinación, incrementó la flexión del ROM tanto para el diseño MARMEL como para el HRA convencional. Sin embargo, fue notable que en este movimiento el diseño MARMEL exhibió un ROM 12.8º ± 1.3° superior con respecto al diseño de HRA convencional, como lo muestra la figura 5c. En la figura 6 se muestra el ROM máximo de abducción a 0° de flexión y 0° de rotación. En las figuras 6a y 6b es posible observar una línea 56 Fig. 5. Ángulos de flexión máximos. a) HRA convencional, b) diseño MARMEL y c) aumento del ROM con el diseño MARMEL. Fig. 6. Ángulos de abducción máximos. a) HRA convencional, b) diseño MARMEL y c) aumento del ROM con el diseño MARMEL. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. punteada que marca el máximo ROM fisiológico antes de que se diera el pinzamiento en el hueso. Sin embargo, cuando el daño óseo ocurrió, se continuó con la simulación cinemática hasta que el pinzamiento del cuello femoral llegara al borde del componente acetabular con el fin de investigar el ROM teórico del nuevo diseño MARMEL. Con respecto al movimiento de abducción de la Figura 6c, es posible observar que el ROM incrementó 7.8º ± 1.9º en el diseño MARMEL con respecto al de HRA convencional. En la figura 7 se muestra el máximo ROM de rotación interna a 90° de flexión. En las figuras 7a y 7b se muestran los resultados de máximo ROM para la rotación interna. La simulación cinemática para rotación interna a 90° de flexión presentó una colisión por el límite fisiológico natural del ROM a 12.9° antes de que ocurriera el pinzamiento óseo. No obstante, la simulación continuó hasta el pinzamiento óseo para investigar el ROM teórico. Además, en algunos casos fue imposible conseguir los 90° de flexión para la posición de inicio sin pinzamiento, y por ello la rotación interna en esa posición no fue considerada para estos casos. En la figura 7c se muestra el incremento en el movimiento de 13.5º ± 2.5º para el diseño MARMEL con respecto al de HRA convencional para rotación interna a 90° de flexión. El ROM máximo para rotación externa a 90° de flexión se muestra en la figura 8. Los resultados del ROM máximo para rotación interna se muestran en las figuras 8a y 8b. Se observó que conforme se incrementaron los ángulos acetabulares de anteversión e inclinación, se incrementó el ROM de rotación externa en ambos diseños. El incremento de ROM en este movimiento en el diseño MARMEL fue de 13.4° ± 1.8° con respecto al de HRA convencional. En la tabla II es posible observar los resultados de varios autores que han reportado daño femoralacetabular en el ROM máximo de flexión, abducción y rotación interna con flexión de 90°. Como era esperado, la mayoría de la literatura incluye comparaciones entre la HRA y el THR convencional con diferentes tamaños de implante y posiciones del componente acetabular. Con base en estos resultados, el análisis computarizado para la HRA convencional llevado a cabo en este estudio concuerda con la mayoría de los autores, excepto Kluess et al., Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 Fig. 7. Rotación interna máxima a 90° de flexión. a) HRA convencional, b) diseño MARMEL y c) aumento del ROM con el diseño MARMEL. Fig. 8. Rotación interna máxima a 90° de flexión. a) HRA convencional, b) diseño MARMEL y c) aumento del ROM con el diseño MARMEL. 57 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. Table II. Comparación de los estudios sobre ROM de la cadera para pinzamiento femoro. Autores Implante Tamaño del implante Orientación acetabular (inclinación, anteversión) (mm) Kubiak et al. Kluess et al. Incabo et al. Newman et al. Lavigne et al. Williams et al. Stulberg et al. Howie et al. NH HRA HRA HRA HRA HRA HRA HRA ND 48 AV AV 46 44 AV AV THR Robinson et al. THR 28 Burroughs et al. THR 44 NH Cadera normal HRA Artroplastia de cadera de superficie THR Reemplazo total de cadera ND 45°,+15° 45°,+20° AV ND 30°,+25° AV AV 45°,+20° ND como lo muestra la tabla. Se sugiere que el método implementado en este estudio fue satisfactorio. Basado en ello, el incremento del ROM en todos los tipos de movimientos con el diseño acetabular MARMEL podría ser una contribución importante para mejorar el desempeño, reduciendo la posibilidad de luxación por causa del efecto de palanca que se da en el borde de contacto en las prótesis de HRA. No obstante, es necesario más trabajo para elucidar de forma detallada el efecto del tamaño femoral y los tejidos suaves. Por otro lado, en la figura 9 se muestran los resultados de la simulación de esfuerzo de contacto con una microseparación de 380 μm seguido por contacto con el borde (ver sección 2.4) en ambos diseños. En las figuras 9a y 9b se muestran la distribución equivalente de esfuerzos de contacto Von Mises a 30° de inclinación para los diseños de HRA convencional y MARMEL, respectivamente. Las figuras 9c y 9d corresponden a la distribución equivalente Von Mises de esfuerzo de contacto a 60° para los diseños de HRA convencional y MARMEL, respectivamente. A 30° de inclinación, los esfuerzos máximos en la cabeza femoral para el diseño HRA convencional y MARMEL fueron de 33.8 y 32.95 MPa, respectivamente. Los esfuerzos de contacto en ambos componentes femorales fueron similares 58 Flexión 122±16º 78º 111º 94±12º 90º 108º 104º 95° 100° 132° 107° ND No hay datos AV Promedio IR Rotación Interna ER Rotación externa Movimientos analizados IR a Abducción 90º de flexión 63±10º 35±6º ND 14° ND 8° 25±8º ND 40° ND 60° ND 45° ND 70° ND 50° ND 28° ND 24° ER a 90º de flexión 102±14º ND 41° ND ND ND ND ND ND ND Fig. 9. Vista isométrica de la distribución equivalente de esfuerzos Von Misses para la copa y la cabeza. a) HRA convencional a 30° de inclinación de la copa, b) MARMEL a 30° de inclinación de la copa, c) HRA convencional a 60° de inclinación de la copa y d) MARMEL a 60° de inclinación de la copa. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. en comparación con aquellos de los componentes acetabulares, las cuales fueron de 90.56 y 64.05 MPa para el diseño de HRA convencional y MARMEL, respectivamente. Observando las figuras 9a y 9b, es evidente que en el diseño MARMEL la distribución de esfuerzos es más amplia con respecto a la distribución de tipo franja presente en el de HRA convencional. Por su parte, a 60° de inclinación, los esfuerzos máximos en la cabeza femoral fueron de 43 y 3,221 MPa en el diseño de HRA convencional y MARMEL, respectivamente, mientras que en los componentes acetabulares fueron de 94.83 y 68.65 MPa en el HRA convencional y MARMEL, respectivamente. Es posible observar en las Figuras 9c y 9d un comportamiento similar a 30° con mejor distribución de esfuerzo en el MARMEL con respecto de la HRA convencional. El esfuerzo de contacto producido por el efecto de microseparación mostró diferencias con respecto a los ángulos de inclinación de 30° y 60°. Esto era esperado y puede ser explicado en términos de área de contacto nominal entre la esfera y el borde de la copa, la cual depende de la posición inicial de la copa, que está sujeta a ángulo de inclinación.41 Estas observaciones pueden estar relacionadas con la técnica quirúrgica indicada para este tipo de prótesis donde la posición femoral sugerida está levemente desviada en posición valga para reducir el riesgo de fractura del cuello femoral.3 Por otro lado, el nuevo diseño MARMEL de componente acetabular tiene la habilidad de reducir la distribución de la presión de contacto cuando está más cerca del borde en ambos ángulos de inclinación. También se observa que los patrones de distribución de contacto fueron similares en ambos ángulos para ambos diseños. El patrón de distribución de esfuerzo de tipo franja exhibido por la HRA convencional en este estudio es consistente con superficies femorales dañadas de prótesis de HRA removidas “in vivo”. En contraste, el diseño MARMEL mostró menor esfuerzo de contacto en el borde con un patrón de distribución de esfuerzo circular definido para ambos ángulos de inclinación. Además, el esfuerzo máximo de contacto en los componentes de HRA con distribución de franja (ver figuras 9a y 9c) es mayor que la encontrada en el diseño MARMEL con una distribución circular pequeña (ver figuras 9b y 9d). El análisis FEM fue validado cuando las superficies dañadas de la articulación del diseño MARMEL y de la HRA convencional fueron observadas (ver figura 10). En ambas condiciones se observó desgaste de franja a causa del contacto de metal de la esfera sobre metal de la copa en el implante de articulación de cadera, con proteínas adheridas a la superficie. Fue evidente que el daño por desgaste de franja fue menor en el MARMEL. La pérdida total regular por desgaste volumétrico fue medida a 5 x 105 ciclos de carga, como se muestra en la figura 11. En términos de desgaste, estas observaciones sobre la distribución máxima de esfuerzos aunados a un menor esfuerzo de contacto en el borde confirman que las asperezas involucradas durante el contacto con deslizamiento pueden llevar a menor daño de superficie en el diseño MARMEL con respecto al de HRA. Además, de acuerdo con Fig. 10. Desgaste de tipo franja en diseños a) HRA convencional y b) MARMEL a 60° de inclinación. Fig. 11. Desgaste volumétrico regular de HRA convencional y de MARMEL a 5 x 105 ciclos. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 59 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. la teoría de lubricación, la geometría del diseño acetabular MARMEL con un corte en el borde de 45º y un radio producen superficies con geometrías no paralelas que resulta en un mejor escenario para un régimen hidrodinámico. Sin embargo, son necesarios futuros estudios para analizar el escenario elastohidrodinámico por medio de la ecuación de Reynolds para teoría de lubricación. CONCLUSIONES En este trabajo se confirmó el efecto del diseño MARMEL en el incremento del ROM en todas las posiciones acetabulares con cambios menores en el diseño de HRA convencional, el cual puede ser fácilmente adoptado para la industria médica. Por otra parte, este diseño tiene un alto potencial para reducir la distribución de la presión de contacto cuando ocurre el contacto con el borde debido a la microseparación entre el borde del componente acetabular y el cuello femoral. REFERENCIAS 1. Ebied, A., Journeaux, S., 2002. Hip Replacement (iv) Metal-on-metal hip resurfacing. Curr. Orthop. 16, 420-425. 2. Grigoris, P., Roberts, P., Panousis, K., Bosh, H., 2005. The evolution of Hip Resurfacing Arthroplasty. Orthop. Clin. N. Am. 36, 125-134. 3. Radcliffe, I.J., Taylor, M., 2007. Investigation into the effect of varus–valgus orientation on load transfer in the resurfaced femoral head: A multifemur finite element analysis. Clin. Biomech. 22, 780-786. 4. Roberts, P., Gregoris, P., Bosch. H., Talwaker, N., 2005. (iii) Resurfacing arthroplasty of the hip. Curr. Orthop. 19, 263-279. 5. Seyler, M.T., Marulanda, A.G., Delanois, E.R., Mont, A.M., 2006. Limited Approach Surface Replacement Total Hip Arthroplasty. Oper. Tech. 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La localización de fallas en los generadores eólicos es una tarea muy importante para mejorar la calidad de la energía (incluyendo estrategias de reconfiguración del sistema) así como para permitir el mantenimiento adecuado. En este trabajo se considera el uso de técnicas de diagnóstico basadas en observadores para la localización de fallas en el generador eólico. La propuesta es probada con una simulación realista proporcionada por un fabricante de generadores eólicos. PALABRAS CLAVE Aerogeneradores, fallas, identificación, observadores, redundancia analitica. ABSTRACT Model-based troubleshooting is considered in a wind turbine used as testbed. Troubleshooting in wind generators is a very important task to improve the quality of energy (including system reconfiguration strategies) as well as to allow proper maintenance. In this work, it is considered the use of diagnostic techniques based on observers for troubleshooting in the wind generator. The proposal is tested with a realistic simulation provided by a manufacturer of wind generators. KEYWORDS Wind turbines, failures, identification, observers, analytical redundancy. INTRODUCCIÓN Los temas de calidad de energía así como la generación de energía limpia ocupan mucha atención de la comunidad científica en los años recientes. Una manera de obtener energía limpia es convirtiendo en electricidad la energía mecánica que produce el viento al mover las aspas conectadas a un generador eléctrico. Los años recientes registran un aumento de la producción de energía eléctrica obtenida de la fuerza del viento, ver por ejemplo la referencia1. Paralelo al incremento del uso, la complejidad e importancia de la continuidad en la operación también crece. Esto hace reconocer en las técnicas de diagnóstico de fallas basadas en el modelo una herramienta importante. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 63 �Localización de fallas en un aerogenerador vía redundancia analítica / Patricia Acosta Santana, et al. Existen algunos trabajos ya reportados en la literatura que abordan el tema,2,3 los que revisan los métodos clásicos de análisis frecuencia-tiempo, vibración, tendencias, etc. En las referencias4,5,6 se utilizan métodos basados en el modelo, en particular métodos basados en observadores. En las referencias5,6 se reporta la localización de fallas en los sensores del sistema de desviación de paletas. P. F. Odgaard et al4 reportan el diagnóstico de fallas en sensores del tren de mando y convertidor. En W. Chen et al7 reportan un resultado más completo, pues utilizando también observadores se consideran todas las fallas anteriores simultáneamente. En este trabajo se considera un esquema de diagnóstico de fallas basado en observadores que pretende ser sencillo y eficiente. El esquema es probado mediante simulación de un modelo no lineal completo sujeto a ruido. Los resultados muestran que el método utilizado permite la localización de casi todas las fallas obteniendo un compromiso entre complejidad y eficiencia. Resultados preliminares de este trabajo fueron presentados y discutidos en la referencia13. PRELIMINARES Diagnóstico de fallas Dentro de la comunidad de control es reconocido que la tarea de diagnóstico de fallas basado en modelos puede ser realizada en dos pasos:8,9,10 1. Generación de residuos. Se diseñan filtros para obtener señales que dependen únicamente de las fallas, eliminando el efecto de las entradas conocidas. Idealmente estas señales son cero si no hay fallas y diferentes de cero si hay fallas. Una forma de realizar un generador de residuos es mediante un observador de la salida, el cual es definido con el modelo matemático del sistema más un término de corrección formado como el producto de una ganancia por el error de estimación de la salida. Ver figura 1. El tipo de observador de la salida requerido se utiliza para obtener un estimado del valor nominal de la salida del sistema. El observador utilizado es muy parecido al bien conocido observador de Luenberger.9,11 La diferencia radica en que el observador de Luenberger fue propuesto con la finalidad de estimar variables internas de 64 u(t) Sistema ganancia Modelo y(t) Σ − r(t) ^y(t) Fig. 1. Generador de residuos basado en observador. un sistema, mientras que en la generación de residuos la idea es obtener un estimado de la salida nominal (sin el efecto de las fallas), para poder así definir los residuos. 2. Evaluación de residuos. Es el proceso utilizado para extraer la información de las fallas. En este trabajo se utilizan ventanas de tiempo ponderadas para hacer la evaluación. Con la finalidad de obtener mayor robustez con respecto a incertidumbre se realiza un procedimiento de desacoplo. Este es utilizado en el aerogenerador para poder localizar las fallas. Ver por ejemplo las referencias9,10,11. MODELO DEL AEROGENERADOR Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por el viento. Existen diferentes tipos de aerogeneradores los cuales se distinguen por su potencia, disposición de su eje de rotación y tipo de generador. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Localización de fallas en un aerogenerador vía redundancia analítica / Patricia Acosta Santana, et al. El modelo del aerogenerador usado en este desarrollo está basado en una turbina de viento de velocidad variable de tres paletas con convertidor pleno. La turbina genérica desarrolla una potencia de 4.8 MW 12 y se compone de los siguientes subsistemas: Sistema de desviación de paletas, tren de mando y generador-convertidor. Ver figura 2. Velocidad del viento sistema de posicion ´ de alabe βr Tr ωr βm Tren de mando Tg ω g,m Generador convertidor ωg Tg,m Tg,r control Fig. 2. Representación esquemática del aerogenerador. A. Sistema de desviación de paletas. Este sistema ajusta la paleta para corregir la posición en relación a la velocidad del viento, potencia y estrategia de control. Además trabaja como sistema de freno primario cuando es necesario. Este actuador puede ser eléctrico o hidráulico. El sistema hidráulico de desviación es modelado como un sistema de segundo orden. Cada sistema de desviación tiene una representación mediante un modelo de segundo orden al que se le agregan las diferentes señales que representarán las fallas. B. Sistema Tren de Mando. Este sistema del aerogenerador tiene como propósito principal transformar la potencia de rotor, alto torque y baja velocidad a una alta velocidad y un bajo torque requerido por el generador para la producción de potencia eléctrica. Se considera un modelo de tercer orden con dos entradas de control. C. Sistema generador-convertidor. El generador transforma la energía rotacional en potencia eléctrica la cual puede ser alimentada a la red vía el convertidor. La dinámica del convertidor puede ser modelada por un sistema de primer orden. En total el modelo completo consiste de 10 ecuaciones diferenciales lineales con algunos elementos de interconexión no-lineales. Los detalles del modelo pueden ser consultados en las referencias4,7 o en la13. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 ESQUEMA DE LOCALIZACIÓN DE FALLAS A. Representación de fallas Se consideran 10 fallas diferentes del aerogenerador, las cuales comprenden fallas en sensores (F1, F2, F3, F5A, F5B, F4), en actuadores (F6, F7, F8) así como en el sistema (F9) (ver tabla I). Cabe hacer notar que las fallas definidas proceden de una empresa del ramo que definió las fallas de acuerdo con historiales de mantenimiento. Adicionalmente se consideran tanto fallas aditivas como multiplicativas. Es importante destacar que el generador eólico opera en lazo cerrado de control. Para la primera aspa del sistema de desviación se agrega la representación de la falla F1 que representa un error en el sensor de manera que envía un valor constante de la posición de la paleta 1. Tabla I. Fallas consideradas. Res Falla r1 F1 Sesgo en el ángulo del álabe 2000 2100 1 de 5 grados. F2 Incremento del 20% en 2300 2400 ángulo del álabe 2. F6 Sesgo en sensor de la velocidad angular 2, con un 2900 3000 valor de 5.73 rad/seg. F3 Sesgo en el ángulo del álabe 3 con un valor de 10 2600 2700 grados. F7 Baja presión del actuador 3400 3600 en un 20%. F5A 10 % error de escalamiento 1000 1100 en velocidad del eje. F9 8% de cambio en la dinámica 4000 4400 del generador. F5B 10 % de error de escalamiento en velocidad angular del 1000 1100 eje. F9 Reducción de 5% en la 4000 4400 dinámica del generador. F4 Sesgo en sensor de velocidad angular del eje con un valor 1500 1600 de 1.4 rad/seg. F9 Reducción del 5% e n l a d i n á m i c a d e l 4000 4400 generador. F8 Sesgo en el actuador. r2 r3 r4A r4B r4C r5 Descripción Intervalo 3800 3900 65 �Localización de fallas en un aerogenerador vía redundancia analítica / Patricia Acosta Santana, et al. B. Diagnóstico de fallas u(t) Con el objetivo de generar los residuos para la localización de las fallas, primero se requiere hacer desacoplo en cada subsistema (donde sea requerido) con la finalidad de separar el efecto de las fallas y/o perturbaciones. La generación de residuos se realiza para cada subsistema mediante un observador. El error de estimación de la salida es utilizado como residuo. La ganancia del observador se calcula por el método de ubicación de polos. Para el subsistema de tren de mando se utilizó desacoplo para separar el efecto de las fallas. La ubicación de polos del generador de residuos se hizo sin problemas. Para el subsistema de generador-convertidor se utiliza un observador en forma directa, pues en el modelo de primer orden no hay forma de practicar algún desacoplo. La relación entre los generadores de residuos ri y las fallas F1 a F9 se puede observar en la tabla I. Los residuos r1 y r5 están asociados a una sola falla cada uno. Se observa un acoplamiento entre la falla F2 y la F6, pues solo hay un residuo que se activa para estas dos fallas. Igualmente F3 y F7 están acopladas mediante el residuo r3. La falla F9 aparece en todos los generadores de residuos r4. Esta relación del efecto de las fallas y los residuos es consecuencia del procedimiento de desacoplo y de la conexión física de las fallas. En todos los casos se utilizó un filtro que promedia los valores ponderados de una ventana de tiempo. El tamaño de la ventana cambia las características del diagnóstico: si la ventana de tiempo es muy pequeña se aumenta la sensibilidad a las fallas, pero también al ruido de medición. Ventanas de tiempo mas grandes ayudan a que el efecto del ruido de medición se reduzca, pero también aumenta el tiempo requerido para diagnosticar fallas. El esquema general utilizado se muestra en la figura 3. 66 y(t) Generador residual (Observador) Evaluacion residual Falla Fig. 3. Esquema de diagnóstico utilizado. R E S U LTA D O S D E L A A P L I C A C I Ó N A L GENERADOR EÓLICO Los resultados son presentados de manera gráfica. Enseguida se muestran los resultados del residuo evaluado en función del tiempo para los diferentes escenarios de falla. En la figura 4 se muestra la evolución en el tiempo del residuo 1 en la presencia de falla F1. 600 500 400 300 r1 Para el subsistema de desviación de paletas se eligió una ubicación de polos del observador con valor muy cercano a los polos del sistema, pues el sistema está mal condicionado numéricamente. Sistema 200 100 0 −100 0 1000 2000 time 3000 4000 Fig. 4. Residuo 1 bajo el efecto de la falla F1. La manifestación de la falla considerada en el residuo no deja lugar a dudas que se pueda localizar satisfactoriamente. En la figura 5 se presenta el residuo 2 bajo el efecto de las fallas F2 y F6. Como se puede apreciar en la figura 5, las fallas F2 y F5 se manifiestan claramente sobre el residuo Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Localización de fallas en un aerogenerador vía redundancia analítica / Patricia Acosta Santana, et al. 100 30 20 50 0 r4A r2 10 0 −10 −50 −20 −100 0 1000 2000 time 3000 4000 Fig. 5. Evolución temporal del generador de residuos 2 en la presencia de fallas. 2 y pueden ser localizadas. No es posible distinguir entre estas fallas. Se puede apreciar también que el nivel del residuo no es tan marcado como en el caso del residuo 1. En la figura 6 se presenta la evaluación del residuo 3, el cual está sujeto al efecto de dos fallas, F3 y F7. −30 0 1000 2000 time 3000 4000 Fig. 7. Evolución del residuo 4A. se empieza a complicar. En la figura 8 se presenta la evolución del residuo B, sensible a fallas F5B así como F9. De la figura 8 resulta evidente que el diagnóstico de F9 a partir del residuo no es posible (al menos a simple vista). Alternativamente se aumentó el tamaño de la ventana a 500 muestras, los resultados se muestran en la figura 9. 1500 Residue r4C 20 1000 15 500 r4C r3 10 5 0 0 −5 −10 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 t −500 0 1000 2000 time 3000 4000 Fig. 6. Evolución del residuo 3 en la presencia de fallas F3 yF7. Claramente se aprecia que las fallas pueden ser detectadas sin problema. En la figura 7 se presentan los resultados del residuo 4ª, el cual está siendo afectado por las fallas F5A así como F9. Es claro como la falla F5A puede ser detectada sin problema. La falla F9 también puede ser detectada, sin embargo, debido a los niveles del ruido Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 Fig. 8. Evolución del residuo 4B. Se puede ver como aumentando el tamaño de la ventana de tiempo es posible el diagnóstico de F9. Es claro que al hacer esto, la sensibilidad a F5B se pierde. La localización en este caso es posible, sin embargo se requiere mayor procesamiento y la falla F9 solo se obtiene después de un retraso considerable. En la figura 10 se muestra al residuo 4C, sensible en principio a F4 y F9. Nuevamente se presenta el problema de sensibilidad a F9, el cual puede ser tratado como antes. 67 �Localización de fallas en un aerogenerador vía redundancia analítica / Patricia Acosta Santana, et al. 0.1 r4B 0.05 0 −0.05 −0.1 0 1000 2000 time 3000 4000 CONCLUSIONES Para el modelo del aerogenerador, es posible evidenciar el momento en que se generan las fallas de una forma relativamente sencilla, el uso de un observador y un filtro extienden esta posibilidad hasta lograr mostrar 9 de 10 fallas aplicadas al sistema. La única falla que no se logró distinguir, fue ocultada por el ruido de sensores. La combinación de métodos basados en observadores y la evaluación utilizando una ventana de tiempo ponderada resultó ser muy efectiva en la localización de fallas. Fig. 9. Residuo 4B (100,000 puntos). 20 15 r4C 10 5 0 −5 −10 0 1000 2000 time 3000 4000 Fig. 10. Residuo 4C. En la figura 11 se presenta la evolución temporal del residuo 5, el cual es sensible a la falla F8. El diagnóstico y localización de la falla F8 puede ser realizada satisfactoriamente. 5000 4000 r5 3000 2000 1000 0 −1000 0 1000 Figura 11.Residuo 5. 68 2000 time 3000 4000 AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el financiamiento por parte de CONACYT mediante el proyecto 178282 y de la UANL a través del proyecto PAICYT. BIBLIOGRAFÍA 1. Proyecto Tech4CDM La energía Eólica en México. Ver Pagina WEB: http:// www.tech4cdm.com/uploads/documentos/ documentos_La_Energia_Eolica_en_Mexico_ fefd89d8.pdf 2. Z. Hameed, Y. Hong, Y Cho, S. Ahn and C. Song, Condition monitoring and fault detection in wind turbines and related algorithms: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13:139, 2009. 3. B. Lu, Y. Li, X. Wu and Z. Yang, A review of recent advances in wind turbine condition monitoring and fault diagnosis, In proceedings of the Power Electrnics and Machines in Wind Applications, 1999. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 �Localización de fallas en un aerogenerador vía redundancia analítica / Patricia Acosta Santana, et al. 4. P. F. Odgaard, J. Stroustrup, and M. Kinnaert. Fault tolerant control of wind turbines - a benchmark model. In Preprints of the 7th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes, Barcelona, Spain, 2009. 5. X. Wei, M. Verhaegen, and T. van den Engelen. Sensor fault diagnosis of wind turbines for fault tolerant. In the 17th World Congress the Inter. Fed. of Automatic Control, Seoul, SouthKorea, 2008. 6. X. Wei, M. Verhaegen, and T. van den Engelen. Sensor fault detection and isolation for wind turbines based on subspace identification and Kalman filter techniques. International Journal of Adaptive Control and Signal Processing, 24(8):687–707, 2009. 7. W. Chen, S. X. Ding, A. Haghani, A. Naik, A. Q. Khan, and S. Yin. Observer-based fdi schemes for wind turbine benchmark. In the 18th IFAC World Congress, pages 7073–7078, Milano, Italy, 2011. IFAC. 8. P. M. Frank. Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based redundancy - a survey. Automatica, 26:459–474, 1990. 9. S. X. Ding. Model-based fault diagnosis techniques. Springer, 2008. 10. R. Isermann. Fault-diagnosis systems: An introduction from fault detection to fault tolerance. Springer, 1 edition, November 2006. 11. J. Chen and R. J. Patton. Robust model-based fault diagnosis for dynamic systems. Kluwer, 1999. 12. P. Odgaard and J. Stroustrup, Fault Tolerant Control of Wind Turbines-a benchmark model, 3rd ed. Harlow, England: Addison-Wesley, 1999. 13. P. Acosta Santana, E. Alcorta García, L. H. Rodríguez Alfaro, Model-based fault isolation in an Aerogenerator benchmark, 2012 World Automation Congress, June 24th - 27th, 2012 , Puerto Vallarta, México. Universidad de Colima, Av. Universidad #333. Colonia Las Víboras. C.P. 28040. Colima, Col., México. Tel (+52)312 31 61 000 http://www.isum.mx/ Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, No. 58 69 �Eventos y reconocimientos I. RECONOCE LA NASA A ESTUDIANTES DE LA FIME-UANL El Ames Research Center de la NASA, ubicado al noroeste de San José, en Moffett Field, California, el 16 de octubre de 2012, entregó un reconocimiento a Inés Hernández Villareal y Eduardo Flores Aguirre, estudiantes de la carrera de ingeniería aeronáutica de la FIME-UANL, en la categoría de trabajo en equipo por el proyecto titulado “Fruit flies in space”. Su participación en el proyecto surge de una estancia académica realizada en las instalaciones de dicho centro de investigación aeroespacial. Cabe mencionar que este reconocimiento es entregado en raras ocasiones a estudiantes, siendo ellos los primeros estudiantes mexicanos en recibir este reconocimiento. II. 65 ANIVERSARIO DE LA FIME-UANL Durante la semana del 20 al 28 de octubre de 2012, se llevaron a cabo diferentes eventos académicos, culturales, deportivos y sociales con motivo del sexagésimo quinto aniversario de la fundación de la FIME-UANL. Eduardo Flores e Inés Hernández con el reconocimiento que recibieron del Ames Research Center de la NASA. Vista general de los asistentes al Almuerzo de la Faternidad FIME-UANL 2012. 70 Almuerzo de la fraternidad El pasado 20 de octubre, en el marco de la Semana Cultural con motivo del 65º aniversario de la FIME-UANL, se llevó a cabo por primera vez en el Polideportivo de la FIME, el tradicional Almuerzo de la Fraternidad. Esta reunión tiene como finalidad la convivencia de maestros y egresados de diferentes generaciones de la FIME, y sirve como preámbulo a la semana de aniversario. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año. XVI, No. 58 �Eventos y reconocimientos XIX Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología El 23 de octubre se realizó en la Sala Polivalente del Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico CIDET de la FIME-UANL la apertura del XIX Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología, que fue inaugurado por el Ing. José Antonio González Treviño, Secretario de Educación en el Estado, en compañía del Ing. Rogelio Garza Rivera, Secretario General de la UANL, el Dr. Ubaldo Ortiz, Secretario Académico de la UANL y del M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME-UANL. Inauguración del XIX Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología por el Ing. José Antonio González Treviño, Secretario de Educación del Estado de Nuevo León. En el marco de este congreso se presentaron conferencias magistrales, paneles de análisis y se llevaron a cabo coloquios, entre los que destacan el “Segundo Coloquio Internacional sobre Celdas de Combustible” y el “Coloquio de Ingeniería Aeronáutica”, este último se llevó a cabo en las instalaciones del Centro de Investigación e Inovación en Ingeniería Aeronáutica de la FIME-UANL. Mesa redonda sobre Vanguardia Tecnológica e Inovación realizada como parte de las actividades del 65 aniversario de la FIME. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 Carrera conmemorativa 6.5 KM El 28 de octubre de 2012, concluyeron los festejos del 65° aniversario de la FIME con la carrera conmemorativa 6.5 km. que se realizó en un circuito dentro de Ciudad Universitaria. En esta carrera participaron maestros, alumnos, corredores y la comunidad en general. Reconocimiento al mérito FIME 2012 El 23 de octubre se efectuó la entrega de los reconocimientos al Mérito FIME 2012, a maestros, investigadores y estudiantes, en las instalaciones de la FIME-UANL. La ceremonia fue presidida por el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME. Los reconocidos en cada categoría fueron: • Mérito a la Docencia: M.C. Fernando Estrada Salazar • Mérito a la Investigación: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, Dr. Román Jabir Nava Quintero, Dr. Martín Edgar Reyes Melo, Dra. Sophie Guillermet-Fritsch, Dr. Bernard Durand • Mérito a la Innovación Tecnológica: Dr. Miguel Gastón Cedillo Campos • Mérito a la Excelencia en el Desarrollo Profesional: Ing. Roel César González Moreno (IMA), Ing. José Talamantes Silva (IME), Ing. Roldán Fernández Molina (IEC) Ing. César Alejandro Benavides Scott (IAS) • Mérito a la Excelencia Deportiva: Srita. Paola Longoria López Ingenieros que recibieron los reconocimientos al Mérito FIME 2012. 71 �Eventos y reconocimientos III. TOMA DE PROTESTA DEL RECTOR DE LA UANL En sesión solemne del H. Consejo Universitario, el 25 de octubre de 2012 en el Teatro Universitario del Campus Mederos, el Dr. Jesús Ancer Rodríguez asumió el cargo de Rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León para el período 2012-2015. La ceremonia fue dirigida por el Presidente de la Junta de Gobierno de la Máxima Casa de Estudios, Ing. Juan Francisco Garza Tamez, realizando la toma de protesta al funcionario reelecto, y teniendo como testigo de calidad al Gobernador de N.L., Lic. Rodrigo Medina de la Cruz. Antes del juramento de ley, el Ing. Juan Francisco Garza Tamez resaltó que la decisión de los integrantes de la Junta de Gobierno fue unánime al ratificar al Dr. Ancer Rodríguez al frente de la UANL. Después de aceptar la encomienda, el Dr. Ancer Rodríguez se comprometió hacer 72 cumplir la Ley Orgánica de la UANL, así como los estatutos y reglamentos de la Máxima Casa de Estudios. Acto seguido, el Ing. Juan Francisco Garza Tamez le impuso la medalla venera como símbolo de autoridad. El Dr. Jesús Ancer Rodríguez tomando protesta como Rector de la UANL para el período 2012-2015. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año. XVI, No. 58 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Septiembre - Noviembre 2012 Ricardo Martínez Sánchez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 5 de septiembre de 2012. Alma Cristina Sánchez Romero, Maestría en Ingeniería con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Mecatrónica, (Examen por materias), 5 de septiembre de 2012. Mónica Lizeth Balboa García, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Daño Superficial en aceros con silicio por óxido líquido”, 7 de septiembre de 2012. Jacobo Eder Aguirre Ortega, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 7 de septiembre de 2012. Laura Patricia Álvarez González, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, “Implementación de un sistema de la información como apoyo a la toma de decisiones en área de logística: caso Cemex”, 12 de septiembre de 2012. Christian Ezequiel Valverde Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 13 de septiembre de 2012. Juan Ernesto Castro Silva, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 14 de septiembre de 2012. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 Óscar Alain Cheang, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 14 de septiembre de 2012. Blanca Elizabeth Montemayor Sauceda, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 20 de septiembre de 2012. Jéssica Judith Salinas Solís, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 20 de septiembre de 2012. Bernardino Ríos Ramírez, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 24 de septiembre de 2012. Alonso López Arrañaga, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 26 de septiembre de 2012. Ramiro Alberto Rodríguez Quintero, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Examen por materias), 28 de septiembre de 2012. Jesús Fabián Domínguez Montoya, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Sistemas Eléctricos de Potencia, “Compensación de corrientes armónicas y de potencia reactiva en una red eléctrica de distribución mediante un convertidor multinivel de tiro puentes “H” en cascada”, 4 de octubre de 2012. José Adrián Rodríguez Aldape, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Enfoque Paralelo Multiplataforma en Heurísticas para problemas no lineales de alta dimensión”, 8 de octubre de 2012. 73 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Ramiro Delgado, Maestría en Ingeniería con orientación en Ingeniería Eléctrica, (Examen por materias), 12 de octubre de 2012. Francisco Gerardo Hernández Rivera, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 15 de octubre de 2012. Vicente Ángel Mercado Branquet, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Reducción de tiempos en el proceso de importación y eliminación de costos extras por almacenaje o tiempo muerto en Topline Products México”, 15 de octubre de 2012. César Alejandro López Durán, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 16 de octubre de 2012. Leonardo de Hoyos Reséndiz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 16 de octubre de 2012. Rocío Marisol Salazar Cavazos, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 16 de octubre de 2012. Adolfo Abraham Rubio López, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 16 de octubre de 2012. José Francisco de la Torre Arzola, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 16 de octubre de 2012. Diana Mayra Martínez Guerra, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Examen por materias), 17 de octubre de 2012. Kerim Silva Prado, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 17 de octubre de 2012. Diana Lucía López Galindo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Análisis de texturas de una aleación de aluminio AlCu5Mg (206) mediante la técnica EBSD”, 19 de octubre de 2012. 74 Cynthia Guerrero Bermea, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Nanocompuestos de polianilinaóxido de grafeno preparados mediante síntesis enzimática”, 24 de octubre de 2012. José Antonio Hernández Ochoa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 26 de octubre de 2012. Javier Humberto Ramírez Ramírez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Efecto de la temperatura de revenido en la resistencia a la oxidación a alta temperatura de un hierro blanco al alto cromo para rodillos de laminación”, 30 de octubre de 2012. Carlos Enrique Rosales Ortiz, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 30 de octubre de 2012. Miguel Ángel Castillo Cruz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Examen por materias), 1 de noviembre de 2012. Jaime de Jesús Domingo Lara, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 9 de noviembre de 2012. Sergio Moncada Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 9 de noviembre de 2012. Ely Daniel Rocha Aguirre, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 14 de noviembre de 2012. Alejandro Noé Conejo Castaño, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 14 de noviembre de 2012. Lourdes Arellano Almaraz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 16 de noviembre de 2012. Sara Yael Angulo Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Potencia y Control Automático, “Sincronización de redes complejas con osciladores caóticos de orden fraccionario”, 16 de noviembre de 2012. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año. XVI, No. 58 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Moisés Arias de la Torre, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 20 de noviembre de 2012. Alan Mario González Villarreal, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Determinación del coeficiente de fricción por co-simulación de la prueba de compresión de anillos en caliente”, 27 de noviembre de 2012. Edgar Omar González Ortiz, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Problema de ruteo de vehículos con flota heterogénea, entregas divididas, múltiples productos y flujos abiertos (OVRPHESDMP)”, 28 de noviembre de 2012. Vicente Herrera Lara, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Estudio de la ductilidad en caliente de un acero inoxidable martensitico 17-4 PH endurecido por precipitación”, 29 de noviembre de 2012. Antonio Javier Martínez Ramón, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 29 de noviembre de 2012. David Mares Guadiana, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con Orientación en Energía Térmica y Renovable, “Análisis del proceso de combustión en prototipo de quemador industrial de gas natural de alta velocidad de mezclado y elevado exceso de aire”, 29 de noviembre de 2012. Karen Adriana Bustos Torres, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Influencia de la morfología de ZnO en la fotooxidación de polipropileno”, 30 de noviembre de 2012 Moisés Corpus Coronado, Maestría en Ingeniería con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura, (Examen por materias), 30 de noviembre de 2012. revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 75 �Acuse de recibo COMPUTERS & INDUSTRIAL ENGINEERING REFRINOTICIAS AL AIRE Esta publicación internacional en inglés, ISSN 0360-8352, editada por Elsevier, produce dos volúmenes por año y en cada volumen 4 números en los que se abordan aspectos relacionados con el uso de la computación en la ingeniería industrial, uno de los campos pioneros en el uso de computadoras tanto en investigación y educación, como en la práctica. La revista incluye artículos arbitrados de actualidad, editoriales, notas técnicas, y comentarios sobre libros. También publica números especiales temáticos, por ejemplo el No. 3 del Vol. 63, de noviembre de 2012, trata sobre Administración de Energía y Economía. Este número fue coordinado por el editor invitado Ying Fan, en el que se incluyen artículos que abordan aspectos como: Eficiencia energética y ahorro potencial de energía en China; Optimización de la política china sobre reservas estratégicas de petróleo: Una aproximación Markoviana a la toma de decisiones, entre otros. Para más información puede contactarse a la editorial Elsevier en la página de Internet: www. elesevier.com/locate/caie Esta revista mensual editada por el Buró de Mercadotecnia del Centro, S.A. publica artículos técnicos, información de productos, empresas, noticias y reportajes sobre la industria y comercio de sistemas de refrigeración, aire acondicionado y ventilación (HVAC&R). El número de noviembre de 2012 presenta un artículo sobre el transporte de perecederos con datos interesantes sobre logística y métodos de preservación, además de comentarios interesantes sobre el origen de diferentes alimentos que se consumen frescos en lugares remotos a su origen. También incluye un comentario acerca de la Ley General sobre el Cambio Climático que fue aprobada recientemente, describiendo su propósito y alcance, haciendo referencia a la certificación LEED (Leadership in Energy and Environmental Design), y la certificación NETZERO. Esta revista incluye además un suplemento internacional en inglés que complementa, con artículos adicionales, a la sección en español. La revista se puede consultar en Internet en: http://refrinoticias.com (JAAG) (FJEG) 76 Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año. XVI, No. 58 �Colaboradores Acosta Santana, Patricia Licenciada en Ingeniería en Comunicaciones y Eléctronica (1994) por el Instituto Politécnico Nacional, Maestro en Ciencias. Estudiante del doctorado en Ingeniería Eléctrica con el tema de control tolerante a fallas en sistemas lineales con parámetros variantes. Affatato, Severio Maestro en Física por la Universidad de Bolonia y especialista en Física de la Salud en la misma institución. Se dedica al desarrollo para la evaluación de protocolos de desgaste de rodilla y cadera, y caracterización de los restos. Trabaja en el Instituto Ortopédico Rizzoli en Bolonia. Álvarez Vera, Melvyn Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Diseño Mecánico por el Instituto Tecnológico de Oaxaca (2005). Actualmente es estudiante del Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Contreras Hernández, Geo Rolando Ingeniero Mecánico Administrador (2006) y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FME-UANL (2009). Actualmente es estudiante del Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales en la misma institución. Aldaco Castañeda, Jorge Adrián Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Desde el 2000 es catedrático en la FIME, ha sido Jefe de Carrera de IMA y ganador del premio de mejor tesis de maestría en el área de ciencias exactas por la UANL. Hernández Rodríguez, Marco Antonio Loudovic Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2001) y Doctorado en Ingeniería de Materiales (2004), ambos por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Es profesor de la FIME-UANL, miembro del SNI, nivel 2, y cuenta con una patente. Alcorta García, Efraín Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control, por la UANL en 1989 y 1992 respectivamene. Doctor en Ingeniería Eléctrica por la Universidad Gerhard-Mercator Duisburgo en 1999. Actualmente Profesor-Investigador de la FIME-UANL y miembro del SNI, nivel 1. Hinojosa Rivera, Moisés Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería con Especialidad en Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales (FIME-UANL), posdoctorado en ONERA (Chatillon, Francia). Es investigador SNI nivel 1 y miembro de la AMC. Actualmente es el Subdirector de Posgrado de la FIME-UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 77 �Colaboradores Juárez Hernández, Arturo Ingeniero Químico Metalúrgico y Maestro en Metalurgia, con especialidad en Solidificación de la UNAM. Doctor en Ingeniería de Materiales de la Universidad de Sheffield, en Inglaterra. Es miembro del SNI, nivel 1. Ha sido catedrático en el Centro de Investigación y Desarrollo Industrial en Querétaro; en el CICATA en Querétaro; en la unidad Querétaro del CINVESTAV. A partir de agosto de 2007 es profesor de la FIME-UANL. Loverde, Lorin Licenciaturas en Filosofía y Psicología en la Universidad de Wisconsin en 1965. Maestría en Artes por la San Francisco State University en 1968. Estudios de Doctorado ABD en Filosofía Religiosa en la Columbia University. Ha sido profesor en la University of Maryland Campus Heidelberg en Alemania, en el Schiller College en Heidelberg en Alemania, en el Pratt Institute en Nueva York, en el ITESM y en la Universidad de Phoenix, Arizona. Morones Ibarra, José Rubén Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la UANL. Doctorado en Física en el área de Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es catedrático de la FCFM-UANL. 78 Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Doctorado en Ingeniería de Materiales (2004) en la Universidad Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Ha obtenido el Premio de Investigación UANL en 1999, 2004, 2009, 2011 y 2012. Es catedrático investigador en la FIME y el CIIDIT de la UANL. Es miembro del SNI nivel I. Rodríguez Alfaro, Luis Humberto Licenciado en Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica por la Universidad Autónoma de Zacatecas. Maestro en Ciencias. Estudiante del programa doctoral en Ingeniería Eléctrica de la FIME-UANL, con el tema de control tolerante a fallas en sistemas no lineales. Zaid, Gabriel Poeta y ensayista. Ingeniero Mecánico Administrador por el ITESM, Monterrey (1955). Recibió el premio Xavier Villaurrutia (1972). Fue miembro del consejo de la revista Vuelta (19761992) y de la Academia Mexicana de la Lengua (1986-2002). Ingresó en El Colegio Nacional el 26 de septiembre de 1984 Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año. XVI, No. 58 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes y convocatorias. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Se aceptarán trabajos en inglés solamente de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES En el caso de los trabajos de revisión o divulgación el autor debe demostrar que ha trabajado y publicado en el tema del artículo, debe ofrecer una panorámica clara del campo temático, debe separar las dimensiones del tema y evitar romper la línea de tiempo y considerar la experiencia nacional y local, si la hubiera. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben contener la presentación de resultados de medición acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamentre dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año XVI, No. 58 mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 79 �80 Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Año. XVI, No. 58 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2013 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 16 Número Número de la revista 58 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2013, Año 16, No 58, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2013 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020821 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Aerogeneradores Currículo Dinámica molecular Física de la fractura Física teórica https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20780/Ingenierias_2012_Ano_15_No_57_Octubre-Diciembre.pdf 01e313f1196dae2fb776b163a9327362 PDF Text Text 57 ISSN 1405-0676 Permitividad colosal Clientes de educación ingenieril Dieléctricos poliméricos Visualización acústica de vehículos OCTUBRE - DICIEMBRE 2012, Año XV, No. 57 REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN �57 Contenido Octubre-Diciembre de 2012, Año XV, No. 57 2 Directorio 3 Editorial: Los clientes del sistema educativo de ingenieros Fernando J. Elizondo Garza 12 Caracterización de las propiedades eléctricas locales del CaCu3Ti4O12 Zarel Valdez-Nava, Chafé Cheballah, Lionel Laudebat, Thierry Lebey, Sophie Guillemet-Fritsch 19 Nuevos fotocatalizadores Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7 para la eliminación de contaminantes presentes en el agua Mayra Zyzlila Figueroa-Torres, Leticia M. Torres-Martínez, Miguel Ángel Ruiz-Gómez, Isaías Juárez-Ramírez, Christian Gómez-Solís 29 Materiales poliméricos dieléctricos Jesús Gabino Puente Córdova, Martín Edgar Reyes Melo, Beatriz Cristina López Walle, Virgilio Ángel González González 38 Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas Román Jabir Nava Quintero, Juan Antonio Aguilar Garib, Sophie Guillemet-Fritsch, Martín Edgar Reyes Melo, Bernard Durand 51 Identificación de fuentes de ruido vehiculares mediante la técnica de Beamforming William D’Andrea Fonseca, Samir N. Y. Gerges 59 Generación in situ de especies oxidantes para la remoción del herbicida 2,4-D en medio acuoso Minerva Villanueva Rodríguez, Juan Manuel Peralta-Hernández, Aracely Hernández Ramírez 66 Bionanocompósitos de carragenina k con nanopartículas metálicas José de Jesús Infante-Rivera, Victoria Campos-Tapia, Carlos A. Guerrero-Salazar, Selene Sepúlveda-Guzmán 74 Eventos y reconocimientos 77 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 80 Acuse de recibo 81 Colaboradores 84 Información para colaboradores Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 � �Ingenierías, Año XV, N° 57, octubre- diciembre 2012. Fecha de publicación: 15 de octubre de 2012. Revista trimestral, editada y publicada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Apartado Postal 076F, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, CP.66451. Telefono:+52 (81) 83294020 Ext. 5854. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de octubre de 2012. Tiraje: 1,200 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P.66450. Número de reserva de derechos al uso exclusivo del título Ingenierías otorgada por el Instituto Nacional del Derecho de Autor: 04-2011-101411064600-102, de fecha 14 de octubre de 2011. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525. ISSN: 1405-0676. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Ingenierías es una publicación trimestral arbitrada, editada por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionales, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. Las opiniones y contenidos expresados en los artículos son responsabilidad exclusiva de los autores. Prohibida su reproducción total o parcial, en cualquier forma o medio, del contenido editorial de este número sin previa autorización. Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. Versión en extenso en internet: http:// ingenierias.uanl.mx/ Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2012 revistaingenierias@gmail.com � DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector: Dr. Jesús Ancer Rodríguez Secretario General: M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico: Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado: Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura: Lic. Rogelio Villarreal E. Director de Publicaciones: Dr. Celso José Garza Acuña FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Director: M.C. Esteban Báez Villarreal Sub-Director de Estudios de Posgrado: Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Académico: M.C. Arnulfo Treviño Cubero REVISTA INGENIERÍAS Director: M.C. Fernando J. Elizondo Garza, FIME-UANL Editor Responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, FIME-UANL Redacción: Lic. Julio César Méndez Cavazos CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Samir Nagi Yousri Gerges, Brasil. UFSC, Florianopolis / Dra. Karen Lozano, USA. UT-Panam / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Óscar L. 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Puente Córdova / Patricia Garza Garza Traductor científico: Lic. José de Jesús Luna Gutiérrez Indización: Dr. César Guerra Torres / L.Q.I. Sergio A. Obregón Alfaro Diseño: M.A. José Luis Martínez Mendoza Fotografía : M.C. Jesús E. Escamilla Isla Webmaster: Ing. Cosme D. Cavazos Martínez / Ing. Dagoberto Salas Zendejo Impresor: René de la Fuente Franco Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 �Editorial: Los clientes del sistema educativo de ingenieros Fernando J. Elizondo Garza Director de la revista Ingenierías. FIME-UANL fjelizon@hotmail.com Los sistemas educativos en general y los de ingenieros en particular, son difíciles de juzgar, analizar y evaluar, y por ende de planear y eficientar, esto en virtud de sus múltiples dimensiones, derivadas de los diferentes aspectos involucrados en el proceso enseñaza-aprendizaje, como son principalmente, por un lado, los psicológicos, sociológicos, económicos, pedagógicos, técnicos y científicos, y por otro, el de los clientes del sistema educativo, tema de este editorial, que inciden directamente en la creación, planeación, proceso pedagógico y administración de las carreras profesionales. La identificación de los clientes y sus expectativas es fundamental para cualquier programa de ingeniería, pues establecen, o al menos influyen, en los parámetros con respecto a los cuales, a final de cuentas, se contrastará el resultado de la formación profesional para de ahí determinar el éxito o fracaso del proceso educativo. El problema de administrar exitosamente estos sistemas debe ser abordado a partir de aceptar la existencia de los diferentes clientes en el sistema y no sólo de los más cercanos, exigentes, o fáciles de satisfacer. También debe tenerse claro que se trata de un problema con ciertas características vectoriales, esto es, las expectativas de los diferentes clientes no van necesariamente en la misma dirección, y por lo tanto habrá que tomar decisiones de compromiso, lo que implica dar prioridad en algún aspecto a un cliente sobre otro. Como seguramente se empieza a percibir, la clave para abordar, a partir de los clientes, la planeación y manejo de carreras y posgrados en ingeniería, se basa en identificar las expectativas de cada cliente. Además, como éstas varían con el tiempo, también hay que desarrollar sistemas de retroalimentación que consideren: evaluaciones, exámenes, implementación de programas de calidad, evaluaciones externas, etc., que periódicamente validen o cuantifiquen la eficiencia educativa, de tal manera que puedan realizarse los ajustes pertinentes para evitar una posible pérdida de competitividad de los alumnos, incluso desde el momento de egresar y que visto a nivel macro afecta a la sociedad en general. Si bien es cierto que esta visión, desde la perspectiva de los clientes, es aplicable a todas las áreas de la educación, en este trabajo se enfatizan algunas particularidades relacionadas con la educación de ingenieros con el fin de promover la meditación sobre el tema y la toma de conciencia en los múltiples actores involucrados, algunos no siempre cercanos o presentes. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 � �Los clientes del sistema educativo de ingenieros/ Fernando J. Elizondo Garza. LOS CLIENTES De acuerdo al diccionario (Ed. 22) de la Real Academia Española (RAE), las definiciones de cliente, útiles para este escrito son dos. La primera es: Persona que utiliza con asiduidad los servicios de un profesional o empresa. Para los fines de esta editorial, dado que el sistema internacional de intercambio se basa en el dinero, nos referiremos como clientes a las personas u organizaciones que pagan el servicio de formación de ingenieros o que pagarán por los servicios de los egresados, ya sea como empleadores o como usuarios de sus servicios. Una segunda definición de utilidad, sobre todo al tratar el aspecto de los estudiantes como clientes, es: Persona que está bajo la protección o tutela de otra. Esto implica que se acepte el tutelaje y sus implicantes, y permite incluir como clientes a los estudiantes que no pagan por su educación. Estas definiciones se relacionan con dos aspectos que no se pueden perder de vista. El primero es si hay un “pago” por el servicio o tutela y el segundo es la “obligatoriedad” de utilizarlos, aunque en la realidad ambos coexisten. En cuanto al pago, podría quererse simplificar definiendo cliente como la persona que entrega dinero al sistema educativo, pero esto lleva a los casos de pagos indirectos, que son muchos, por lo que es conveniente reconocer como clientes a: • El estudiante que paga directamente por la educación. • Las personas que pagan por la educación de un hijo o becario. • Las organizaciones que becan personas. • Las organizaciones que apoyan o colaboran económicamente con el sistema educativo. • El gobierno al cumplir con su función de educar (asignación del presupuesto de educación). La última variante genera el caso de las personas que no son conscientes de que son clientes simplemente por pagar impuestos. El caso de la obligatoriedad es más esquivo, pues a nivel profesional en pocos países se considera una obligación legal titularse, y sólo se considera una obligación moral o algo deseable, pero sí hay una presión social que genera reacciones y expectativas en los estudiantes. Aunque la definición del diccionario de la RAE no lo incluye explícitamente, es común considerar como cliente también a la persona que va a comprar productos de una empresa o negocio. A partir de esta visión algunos empleadores se consideran clientes al ser contratantes de los egresados, a quienes pagarán, y por lo tanto están interesados en que los estudiantes al egresar estén bien preparados para ejercer su profesión. Por supuesto que no se trata de comprar un producto, pues se trata de personas, pero es común que se evalúen un tanto deshumanizadamente. Los contratantes de ingenieros, generalmente se consideran con derechos de exigir al sistema educativo, que genere egresados productivos, bajo el esquema de que no necesariamente todo egresado de ingeniero será un empresario, y de hecho así es, primero por efecto de la concentración de capital que hace muy difícil competir con las empresas establecidas, las que requieren ingenieros para su operación, y segundo porque el gobierno requiere ingenieros bajo su mando directo. � Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 �Los clientes del sistema educativo de ingenieros/ Fernando J. Elizondo Garza. Antes de abordar las características y expectativas de los clientes del sistema de educación de ingenieros con más detalle, es importante recordar que la principal función de las universidades es la de formación y que las escuelas de ingeniería deben formar alumnos para convertirlos en ingenieros y para ello recibirán los pagos de los diferentes clientes. Para fines de este editorial se establecerá arbitrariamente que los principales usuarios de los sistemas educativos son: • Estudiantes. • Padres de familia. • Empresas. • Sociedad. • Gobierno - sistema educativo. • Globalidad - extranjeros. Si bien es cierto que algunos son subconjuntos o tienen relaciones de dependencia, el visualizarlos clasificados de esta manera, y discutirlos por separado, es útil para obtener una visión panorámica de las fuerzas que influyen, directa o indirectamente, en el proceso de formación de los ingenieros. Una característica importante de este espectro de clientes, es que cada uno de ellos puede considerarse el más importante, por lo que es inevitable el tener que establecer un orden de prioridades o de diferentes ponderaciones (consideraciones) a sus requerimientos o expectativas, las cuales de hecho, como ya se mencionó, pueden ser diferentes e incluso opuestas. La capacidad de presión o exigencia de cada cliente, que está relacionado con aspectos de economía, política y organización determinará su grado de influencia real. A continuación, en forma general, se describe cada cliente en cuanto a sus expectativas, contradicciones, influencia y mecanismos de presión. EL ESTUDIANTE COMO CLIENTE Los alumnos son, y conviene visualizarlos así en este marco, los clientes directos del sistema educativo de ingenieros. Los estudiantes de ingeniería se deben inscribir por ellos mismos, ya sea por decisión propia, de sus familiares o de sus empleadores. Un factor importante a considerar es que mayoritariamente ingresan al sistema educativo en la adolescencia. Generalmente, al seleccionar la escuela, los estudiantes tienen una idea vaga de lo que deben aprender, a veces distorsionada a causa de malos consejos o falta de orientación profesional real, y en sus decisiones pesan muchos aspectos de prestigio de las instituciones, modas profesionales y “fama” en cuanto a índices de reprobación y flexibilidad, o adaptabilidad, a “los deseos de los clientes”, en este caso alumnos. Esto implica que los alumnos deben en principio aceptar que no están formados y que lo serán, y que las escuelas deben contar con maestros éticos y competentes ingenierilmente, así como con directivos que compartan estos valores y que sean capaces de administrar en base a una visión que evite que la parte académica se desvíe por causas económicas o no académicas de otra especie. En los estudiantes existe una contradicción base inevitable entre los deseos de largo plazo (empleo) y las conveniencias inmediatas de ellos como alumnos (cotidianeidad). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 � �Los clientes del sistema educativo de ingenieros/ Fernando J. Elizondo Garza. El estudiante como cliente contempla aspectos no considerados o poco valorados por los otros clientes, por ejemplo: pasarla bien, que los medios faciliten el estudio, hacer amigos, aprender cosas prácticas para insertarse pronto en el empleo y poder ganar mucho pronto e incluso no reprobar. Para tener buenos resultados, ellos tienen que lograr un balance entre estudiar y vivir su adolescencia o su vida de pareja/familia si son mayores. Además se requiere que hayan tenido antes una orientación profesional adecuada, una educación básica sólida y un ingreso económico por encima de la estabilidad fisiológica. El estudiante, si le empieza a ir mal en lo académico, o si no está dispuesto a esforzarse, puede disminuir o modificar sus expectativas. Esto los lleva a buscar escuelas con una menor dificultad para aprobar o en algunos casos a que en su descontrol se visualicen como un “comprador” más que como un cliente del sistema y presionen, aduciendo injusticia o cualquier excusa, para que les pongan otro examen o incluso para que los aprueben, porque: por eso pagan y el cliente tiene la razón… También es notable la diferencia de visiones que se establecen cuando el estudiante paga sus estudios de lo que gana trabajando, con respecto a los que no pagan directamente sus estudios. Es claro que los alumnos no saben mucho de educación ni de la profesión ni del mercado, entonces, sin que signifique que no se les tome en cuenta, el considerarlos en la toma de decisiones en cuanto a carreras, programas y contenidos es una mala aproximación. Realmente es de gran importancia evaluar y considerar las percepciones y opiniones de los alumnos periódicamente, en los aspectos pertinentes, para poder implementar una retroalimentación de corto plazo, pues esperar a que terminen la carrera y se inserten en el sistema laboral para evaluar si su formación fue buena y cumplen con las expectativas de los diferentes clientes puede resultar en catástrofes generacionales. Además, el seguimiento de egresados es difícil y caro. De lo antes comentado se desprende la importancia de establecer con claridad en el estudiante su posición en el sistema educativo, sus derechos y obligaciones, asegurarse de que tenga una misión/visión/meta, pues sin ella su integración en el proceso educativo es difícil y las contradicciones serán mayores. Los alumnos tienen como herramienta principal de presión sobre el sistema educativo las sociedades de alumnos y las federaciones, pero realmente su arma principal es su juventud y su capacidad de sorprender. PADRES DE FAMILIA Estadísticamente los padres desean lo mejor para sus hijos. La expectativa y por lo tanto el requerimiento base de estos clientes es, en primera instancia, que el alumno obtenga un título y que con él se le abran oportunidades. Como ya se mencionó, los padres de familia son generalmente los que pagan la educación de sus hijos, al menos hasta licenciatura, y por lo tanto desean obtener lo mejor para sus hijos con su dinero e incluso podría pensarse en un retorno de inversión en el largo plazo. � Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 �Los clientes del sistema educativo de ingenieros/ Fernando J. Elizondo Garza. Según las capacidades del estudiante, su hijo, pueden aceptar pagar, si están en capacidad, por una educación de mayor calidad, esto incluso entendido como de “mayor prestigio social”, en el caso de que el alumno tenga capacidad e interés, o “facilitarle un título” a su hijo, si no muestra interés ni capacidad, en una institución educativa de bajo perfil. Aunque se aprecian cambios significativos en cuanto a la intención de las mujeres para ejercer profesionalmente, no es raro en México que sientan presión para seleccionar una carrera relacionada con la idea de “casarse bien”. La presión como clientes en el caso de instituciones de educación privadas, es a través de la sociedad de padres o por quejas directas. En el caso de las universidades públicas, la presión es generalmente indirecta. EMPRESAS CONTRATANTES En el caso de la ingeniería, se considera implícito que los egresados de las carreras de ingeniería sean contratados en las industrias para manejar los aspectos técnico-científicos, o que incluso crearán sus propias empresas con perfil tecnológico. Esto conlleva el que, como cliente, las empresas sean contratantes de egresados, sus futuros trabajadores, y que por lo tanto tengan un interés específico en su perfil profesional. Podría pensarse que el requerimiento base es que los egresados tengan una sólida formación científico-tecnológica, pero en las encuestas realizadas a empresarios y personal de los departamentos de recursos humanos de empresas, en la región noreste de México, es notorio el énfasis en cuanto a la solicitud de “actitudes y habilidades”, no necesariamente de carácter técnico, pues requieren, entre otras: dominio de idioma inglés, habilidades de comunicación, actitudes de interacción interpersonal en el ámbito laboral y saber obedecer. Para entender este énfasis es importante diferenciar las empresas en dos grandes grupos: las que consideran el enfoque de ciencia/tecnología, en las que el desarrollo del producto implica progreso económico; y las que tienen un enfoque de comercio, que sólo requiere comprar y vender más caro, y en las que se requieren sólo capataces especializados para mantener funcionando la producción bajo tecnologías no propias, generalmente extranjeras. Es también importante señalar que raramente las empresas cuentan con perfiles de puestos desarrollados hasta los aspectos finos ingenieriles, quizá en parte debido a que en su mayoría los ingenieros sin posgrado son contratados para realizar funciones de capataces. Por otro lado las empresas con enfoque tecno-científico pueden solicitar perfiles muy específicos a sus requerimientos ingenieriles, los cuales por supuesto no corresponden a la función básica de las carreras de ingeniería, sino que realmente son asuntos de capacitación o posgrados específicos. Estos requisitos no deben sesgar las carreras profesionales, ni inducir la creación de programas sin demanda, sino que deben abordarse mediante cursos específicos a la medida de la empresa en esquemas extracurriculares. En general pareciera que las empresas suponen que las universidades saben bien qué debe enseñarse a los alumnos en los aspectos ingenieriles. Pocas son las empresas que se ven como clientes directos de las Instituciones de Educación Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 � �Los clientes del sistema educativo de ingenieros/ Fernando J. Elizondo Garza. Superior IES y en general se consideran empleadoras pasivas, o sea que contratan lo que les conviene. Las empresas que se visualizan como clientes ejercen presión como tales al ir a buscar pasantes para contratar y a través de las cámaras de industriales o empresarios, las cuales también presionan vía gubernamental. SOCIEDAD Este cliente abstracto está integrado por las personas que pagan impuestos y que a través de ellos patrocinan la educación de ingenieros, aún sin que tengan familiares estudiando ingeniería. En los sistemas democráticos el gobierno deberá escuchar las expectativas de la sociedad que lo eligió y actuar en consecuencia para “beneficio de la mayoría”. Pero excluir grupos minoritarios no es políticamente deseable y esto produce todo tipo de acciones a veces contradictorias entre sí. El gobierno que es el mecanismo de acción de una sociedad se tratará en el siguiente apartado. La sociedad resulta en diferentes fuentes de presión política-económica-social que actúan sobre las IES, que aunque generalmente funcionan como reguladores positivos, pueden ser manipulados con fines negativos al grado de afectar a la misma sociedad que dicen representar. Aquí se engloban las opiniones y acciones de las organizaciones de padres, las Organizaciones No Gubernamentales (ONG’s), los medios de comunicación, los sindicatos, las organizaciones empresariales, los intelectuales, entre otras, las cuales tienen diferentes percepciones y, de ahí, expectativas o exigencias sobre las universidades. Las evaluaciones, reportajes y opiniones de estas instancias, afectan el sistema educativo principalmente por su impacto político y de imagen. Por desgracia la presión sobre la educación, en muchos casos, no está basada en datos reales. Es importante reconocer que parte de los impuestos pagados por los ciudadanos terminan en el sistema educativo donde algún familiar será formado y por supuesto todas las personas desean que sus impuestos sean bien utilizados. Los medios de presión de la sociedad como cliente, son las ONG’s, las instancias gubernamentales y últimamente los medios de comunicación, los que no siempre representan los intereses de la mayoría. GOBIERNO - SISTEMA EDUCATIVO En cuanto a la educación de ingeniería, en realidad la mayor parte del pago del costo de la formación recae sobre las instancias de gobierno a nivel federal y estatal, quienes distribuyen presupuestos derivados de los impuestos. El medio para el financiamiento y regulación de la educación en México es la Secretaría de Educación Pública (SEP) en el nivel federal y las dependencias de educación a nivel estatal, las cuales están relacionadas y subordinadas en ciertos aspectos. Si se revisan los análisis de los sistemas educativos internacionales (UNESCO, OCDE, etc.) resulta que la calidad de estos no es igual, siendo el gobierno el factor que determina las diferencias. Sin siquiera tratar de explicarlo, éste está influenciado por: la cultura de la sociedad, los grupos de poder económico, las visiones filosóficas y culturales de la sociedad, el sindicalismo, las legislaciones existentes y el tipo de régimen político. � Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 �Los clientes del sistema educativo de ingenieros/ Fernando J. Elizondo Garza. En este aspecto influye mucho el estilo de los políticos en el poder, quienes toman la mayoría de las decisiones, esto no es un problema si se asesoran adecuadamente con especialistas, pero no todos emprenden acciones y algunos sólo buscan terminar sus periodos, haciéndose de la menor cantidad de enemigos para continuar su vida política, generándose un enfoque administrativo de “pasividad segura” o en el peor de los casos de beneficio inmediato personal. Si bien el sistema educativo es el medio y responsable básico de la educación de los ingenieros, hay que analizarlo también como cliente en sí mismo, pues financian a las escuelas y facultades de ingeniería. Los sistemas de educación gubernamentales por supuesto que como clientes quieren que el dinero sea bien empleado de acuerdo a sus criterios y establecen la presión más directa sobre las escuelas de ingeniería, muchas veces llegando al extremo de presionar para formar ingenieros como si fueran estudiantes de otra profesión, o convirtiendo a la pedagogía en un fin en lugar de un medio. Es en estas instancias donde se establecen los principales sistemas de evaluación del sistema educativo. En el caso de las instituciones educativas privadas, ademas del interés ecónomico hay otro muy importante relacionado con la reproducción de estructuras ideológicas de su interés. Estas instituciones presionan al sistema de educación gubernamental y pueden llegar a influir políticas nacionales. GLOBALIDAD/EXTRANJEROS El visualizar como clientes a la globalidad implica dos estructuras: la educación de posgrado a escala mundial y la del capital a través de las empresas transnacionales. En el caso del esquema internacional de educación, desarrollado para poder generar educación del más alto nivel, la cual ninguna universidad puede cubrir por sí sola, éste influye a través de los programas de posgrado en el extranjero, los que establecen requisitos para sus candidatos, lo que presiona a las universidades nacionales, tanto para poder enviar alumnos, como para entrar competitivamente a dicho esquema. También influencian desde la perspectiva de prestigio, pues cuando un programa exitoso en una parte del mundo se convierte en el modelo mundial o al menos regional, éste generará modificaciones por imitación en otras instituciones. Por desgracia generalmente este aspecto lleva a la creación de carreras nuevas descontextualizadas, con requerimientos y expectativas no necesariamente coherentes con el país y su fin es el de aprovechar mercados de moda, los cuales pasan. Por otro lado las empresas transnacionales, buscando homogeneizar y facilitar la comunicación entre sus filiales, establecen criterios de contratación que definitivamente influencian a las instituciones de educación superior. LOS NO CLIENTES Los sistemas educativos tienen varias fuentes de influencia importantes que afectan su calidad por parte de no clientes, o sea personas que no pagan, sino que al contrario son pagados por el sistema educativo, directa o indirectamente. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 � �Los clientes del sistema educativo de ingenieros/ Fernando J. Elizondo Garza. Los principales son los maestros, administrativos y personal de apoyo, los cuales inevitablemente se relacionan con fines políticos, económicos, sindicales, culturales y recreativos en el caso de las IES públicas, y principalmente con fines de reproducción de sus visiones ideológicas o empresariales en el caso de las IES privadas. Tambiéen están en este caso proveedores de mercancías y servicios. Todos estos no clientes por supuesto están interesados en influir en las decisiones del sistema educativo, pues éstas se traducen, directa o indirectamente para ellos, en una mayor o menor obtención de ganancias. Algunas veces se les toma demasiado en cuenta en decisiones que afectan lo académico. EVALUACIÓN Y RETROALIMENTACIÓN La evaluación de los sistemas educativos, en virtud de los diferentes clientes, exige una diversidad de métodos. Esto implica que es inevitable, si se quiere ser pertinente a la clientela, el contar con un conjunto de evaluaciones enfocadas a las diferentes etapas durante la formación del estudiante e incluso después de su titulación. Las evaluaciones deben ser realizadas por las propias instituciones educativas, por las empresas contratantes, por instancias externas independientes de evaluación, o por el gobierno. Entre las disponibles actualmente están las generadas por las dependencias de evaluación educativas del Estado, las relacionadas con los organismos de acreditación y certificación de carreras e instituciones de educación, las de organizaciones de evaluación educativas internacionales como UNESCO, ABET, entre otras, e incluso las de ISO, que aunque no académicas, inciden en aspectos educativos. Las evaluaciones serán útiles sólo si se cuenta con un sistema de retroalimentación que permita el corregir las deficiencias o desviaciones con respecto a los objetivos de los programas y más importante con respecto a las expectativas importantes y éticas de los clientes. Es evidente que toda universidad debe contar con oficinas o procedimientos de enlace que le permitan mantener actualizados los directorios de clientes y el establecer periódicamente contactos con ellos para poder recabar la información necesaria para la evaluación y revisión de las carreras y programas. COMENTARIOS FINALES Los clientes de los sistemas de educación de ingeniería son los actores que hacen que el dinero puesto en educación fructifique no sólo para los clientes mismos sino para beneficio de la sociedad en general. Desde el punto de vista administrativo, para tener un sistema educativo de calidad, competitivo y exitoso socialmente, se requiere una identificación precisa de los clientes y el establecimiento de canales de comunicación con ellos que sean rápidos y confiables, que permitan la identificación de sus expectativas, las cuales, una vez filtradas y ponderadas adecuadamente, deberán permitir el establecer los sistemas de evaluación eficientes que verifican si lo realizado produjo los resultados deseados. 10 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 �Los clientes del sistema educativo de ingenieros/ Fernando J. Elizondo Garza. Un enfoque basado en los clientes evidencia dos grandes problemas que pueden afectar el sistema educativo. Uno de ellos es el de: “El cliente tiene la razón”, que como ya se comentó puede servir para que los estudiantes se sientan a gusto y atendidos, pero que afecta lo académico y puede dejar deshabilitados a los egresados para el desarrollo científico y tecnológico competitivo, e incluso para el trabajo como ingenieros. Por otro lado el enfoque de: “Decidir unilateralmente lo que el cliente necesita” puede llevar a que los clientes no estén interesados en el producto, o sea que los conocimientos y habilidades de los egresados no cubran, o excedan, los requerimientos de los clientes, tanto en cuanto a especialidades de la ingeniería como en sus contenidos. De lo antes comentado se puede reconocer que el filtrado y ponderación de las expectativas de los clientes es un punto del proceso de gran importancia, pues si no se hace con sensatez, puede resultar en un sesgo del proceso educativo que bien puede beneficiar a algunos pocos, pero no a la mayoría, y aquí una de las grandes disyuntivas es si se debe ofrecer una educación general para la sociedad o una para resolver problemas específicos. Afortunadamente esto se puede resolver si se emplea el esquema de posgrados en base a buenos estudios del mercado laboral de ingeniería. En los sistemas de educación de ingenieros es imperativo el establecer un sistema de retroalimentación de lazo cerrado y ponerlo a funcionar. El comparar las evaluaciones de aula y campo con las espectativas obtenidas de los clientes, permitirá en primera instancia establecer el éxito o fracaso del proceso educativo. En caso de encontrarse deficiencias, el sistema de retroalimentación debe ser capaz de tomar las acciones necesarias para corregir el rumbo. Se debe evitar el uso de estadísticas falsas o de resultados maquillados mediáticamente, que es algo que parece ir en aumento en el mundo, generando falsas evaluaciones y expectativas, que producen resultados inconexos con las necesidades reales de la sociedad. El desarrollar en los administradores del sistema educativo, y en todos los partícipes, una visión que considere la diversidad de clientes, que es de gran utilidad para establecer una panorámica, un modelo conceptual completo de la educación de ingenieros, la cual facilitará a los educadores y administradores el mantener en rumbo el proceso educativo, en medio del mar de leyes, ideologías, intereses económicos, deseos, y esperanzas que inevitablemente rodean el tan delicado e importante proceso de educación, en nuestro caso, de ingenieros. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 11 �Caracterización de las propiedades eléctricas locales del CaCu3Ti4O12 Zarel Valdez-Nava,A,B Chafé Cheballah,A,B Lionel Laudebat,C Thierry Lebey,A,B Sophie Guillemet-FritschD Université de Toulouse; UPS, INPT; LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie); Toulouse, France. B CNRS; LAPLACE; Toulouse, France. C Centre Universitaire Jean-François Champollion; Albi, France. D Institut Carnot CIRIMAT; Université Paul Sabatier, Toulouse, France. A RESUMEN El CaCu3Ti4O12 (CCTO) es un material que presenta permitividad dieléctrica colosal (>105). En este trabajo, el CCTO fue sintetizado mediante coprecipitación química y sinterizado a 1050°C. Las propiedades eléctricas fueron estudiadas de manera macroscópica y localmente en granos y a través de fronteras de grano, tanto en corriente continua como en régimen alternativo. En este régimen, los granos y fronteras de granos presentan un comportamiento resistivo, no capacitivo. En corriente continua, las medidas locales no permiten distinguir el origen de la respuesta asimétrica macroscópica del material. Finalmente se encuentra que un contacto no-óhmico entre el cerámico heterogéneo y los electrodos podría explicar el comportamiento macroscópico y de las mediciones locales. PALABRAS CLAVE CaCu3Ti4O12, permitividad dieléctrica colosal, caracterización eléctrica local ABSTRACT CaCu3Ti4O12 (CCTO) is a material that presents a colossal dielectric constant (>105). In this work, CCTO was synthesized by chemical coprecipitation and sintered at 1050°C. Electrical properties were studied in bulk ceramic materials, as well as on individual grains and trough grain boundaries in alternative regime and continuous current. In AC regime, grains and grain boundaries show a resistive-like behavior. In DC regime local grain and grain boundary measurements do not allow determining the origin of the non-symmetric response in the bulk samples. It is finally found that non-ohmic contact between the heterogeneous ceramic and the electrodes could explain both the bulk and local electrical behaviors. KEY WORDS Colosal dielectric constant, CCTO, local electrical characterization. 12 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Caracterización de las propiedades eléctricas locales del CaCu3Ti4O12/ Zarel Valdez-Nava, et al. INTRODUCCIÓN Los materiales dieléctricos en microelectrónica son necesarios para la fabricación de condensadores, así como para el manejo de las señales y el almacenamiento de energía. Actualmente existe la tendencia hacia la miniaturización de los dispositivos eléctricos y el incremento en las frecuencias de operación. Una de las estrategias para disminuir el tamaño de los condensadores eléctricos es desarrollar materiales dieléctricos con valores de permitividad elevados. Los materiales que presentan los valores más altos de permitividad dieléctrica son de tipo cerámico, e industrialmente los más utilizados son los titanatos de bario o de estroncio. Una nueva rama de materiales, con una permitividad llamada “colosal”, por su magnitud, fue descubierta en los años 2000.1 El primer material de esta familia, y el más estudiado hasta ahora es el titanato de calcio y cobre, CaCu3Ti4O12 (CCTO). Varios aspectos de estos cerámicos los hacen muy atractivos, entre ellos los valores aparentes de permitividad dieléctrica colosales (>105), al menos un orden de magnitud superior a los obtenidos en los cerámicos dieléctricos convencionales como el titanato de bario (dopado).2,3 Además, una ausencia de transición de fase entre -100°C y 400°C, sin comportamiento ferroeléctrico ni transición ferroeléctrica-paraeléctrica les confiere una baja dependencia de la permitividad en función de la temperatura.4 Frecuentemente para obtener valores de permitividad altos en otros cerámicos es necesario realizar diferentes tratamientos en temperatura y atmósfera controlada, mientras que el CCTO, desde el punto de vista de su fabricación, permite obtener sus propiedades en una sola etapa de procesamiento.5 Desde los primeros trabajos en el CCTO se observó que la microestructura jugaba un papel importante en la modulación de las propiedades dieléctricas, específicamente en la permitividad.6 Utilizando la modelización de los resultados de espectroscopía de impedancias (EI)7, diferentes autores propusieron la hipótesis de una polarización interfacial para explicar los valores colosales de permitividad. Dos tipos de interfases podían explicar esta polarización, lo que dio origen a dos corrientes Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 adoptadas por la comunidad científica; la primera consiste en la interfase que se forma al contacto con los electrodos metálicos8 y la segunda, una interfase interna atribuible a la microestructura propia del cerámico.5 En la segunda hipótesis, las fronteras de grano, las dislocaciones y cualquier otro defecto estructural podrían constituir una interfase donde las cargas eléctricas que originan la polarización se acumularían. Este modelo, conocido como Condensador de Barrera Dieléctrica Interna (CBDI, o por sus siglas en inglés IBLC) es el modelo más aceptado, en donde la permitividad aparente (εeff ) depende del tamaño de grano (A) y de la permitvidad (εfg ) y el espesor (t) de la frontera de grano (figura 1). Fig. 1. Esquema del modelo de Condensador de Barrera Dieléctrica Interna (CBDI) utilizado para explicar la permitividad colosal en el CCTO. Para que este modelo funcione se requiere que los granos del cerámico se comporten como conductores, o al menos como semiconductores, y que las fronteras de grano, o los defectos internos, sean aislantes, o que tengan una resistividad superior a la de los granos. La mayor parte de los trabajos dedicados al estudio de los cerámicos con permitividad colosal utilizan la espectroscopía de impedancias para modelizar esta microestructura a través de circuitos equivalentes RC (Resistencia-Capacitancia).7 De esta manera asignan a la microestructura (electrodos, granos, fronteras de grano) un comportamiento específico a cada circuito RC identificado por EI. Sin embargo, las medidas directas de las propiedades de los granos y las fronteras de granos son limitadas. Chung et al.9 lograron medir las características voltaje-corriente de los granos y fronteras de grano de CCTO utilizando electrodos de oro dispuestos de manera aleatoria en la superficie. Los resultados de las medidas locales obtenidas con sonda local (Microscopía de Fuerza Atómica) son controversiales porque encuentran que tanto 13 �Caracterización de las propiedades eléctricas locales del CaCu3Ti4O12/ Zarel Valdez-Nava, et al. los granos como las fronteras de grano son semiconductoras.10,11 En trabajos recientes se ha observado un comportamiento asimétrico de la respuesta eléctrica que no puede ser descrito con el modelo CBDI.12 Así, el propósito del presente trabajo es caracterizar eléctricamente los granos y las fronteras de grano en la microestructura del CCTO para relacionar las propiedades eléctricas locales con las propiedades macroscópicas. EXPERIMENTACIÓN Elaboración del CCTO El CCTO fue obtenido mediante una técnica de síntesis en solución, mediante la precipitación de oxalatos. La descomposición de los oxalatos permitió obtener los óxidos de CCTO con un exceso de CuO.13 Los óxidos fueron compactados en pastillas de 6 mm de diámetro y 2 mm de espesor. La sinterización a 1050°C durante 24 h permite la densificación completa (>97% dteórica) del CCTO, el exceso de CuO ocasiona una sinterización en fase líquida y un crecimiento de los granos que alcanzan un tamaño de hasta 200 µm de diámetro.14 Las muestras fueron metalizadas por pulverización catódica de Au con un espesor de 30 nm para las mediciones eléctricas macroscópicas. Para las locales, la muestra fue pulida hasta un acabado óptico (Ra < 100 nm); un tratamiento térmico a 950°C permite observar los granos y las fronteras de granos con un microscopio óptico. Un análisis mediante microscopía electrónica de barrido (JEOL 6060LV, 6700 F) aunado a un analizador de rayos-X (EDX, Princeton Gamma Tech) permitió observar las diferencias de composición del CCTO. Mediciones eléctricas Las propiedades macroscópicas y locales fueron medidas en los regímenes de corriente continua (CC) y corriente alternativa (CA). En CC, una fuente de voltaje (Keithley 2410) permite registrar simultáneamente al voltaje aplicado y la corriente que pasa a través de la muestra (figura 2). En CA, un analizador de impedancias (HP 4284A) aplica entre 100 mV y 1 Vrms en la gama de frecuencias de 20 a 14 Fig. 2. Esquema de las mediciones macroscópicas de la muestra en CC. 106 Hz. Para los experimentos locales, una estación de micro-manipulación (Signatone S1160) acoplada a un microscopio óptico permite un posicionamiento preciso de las puntas de tungsteno (Microworld) (diámetro de la punta ≈ 10 µm). Todas las mediciones locales se realizaron con puntas coaxiales, con dos cables por punta para limitar la interferencia de los cables. A diferencia de los trabajos de Chung et al.9 las mediciones se efectuaron sin metalización. Entre cada medición eléctrica se despolarizó la muestra mediante un corto-circuito entre los electrodos durante 10 minutos. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caracterización macroscópica Los valores de capacitancia de la muestra se calcularon a partir de los resultados de EI. Los valores de permitividad corresponden a los previamente reportados para este tipo de material14 (figura 3). La relación voltaje-corriente (I(V)) para la muestra presenta un comportamiento no-lineal y Fig. 3. Valores de permitividad dieléctrica y factor de pérdida para las muestras de CCTO. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Caracterización de las propiedades eléctricas locales del CaCu3Ti4O12/ Zarel Valdez-Nava, et al. además asimétrica en función de la dirección en que es aplicado el voltaje (figura 4). Figura 6.a. Preparación de la muestra. Fig. 4. Corriente en función del voltaje aplicado I(V) para la muestra de CCTO. Los colores rojo (superior) y negro (inferior), corresponden a sentidos opuestos en la aplicación de la corriente a través de la muestra. Los puntos y las líneas son dos mediciones independientes. Los resultados del análisis EDX (figura 5) de ambas caras de la muestra no permiten distinguir si existen diferencias significativas en la composición de las dos caras opuestas del material. Fig. 5. Resultados de EDX para las dos caras opuestas de una muestra de CCTO. Caracterización local de los granos y fronteras de granos Una serie de caracterizaciones se efectuaron en la sección de la muestra para determinar si la microestructura tiene un impacto en la respuesta eléctrica global (macroscópica) y eventualmente relacionar la respuesta local con la asimetría de la respuesta eléctrica (figura 6). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Fig. 6.b. Imagen en MEB de la microestructura de la muestra. Fig. 6.c. Imagen de las puntas de tungsteno en contacto con la muestra. Régimen alternativo (CA) Las respuestas en impedancia de un grano y de una frontera de grano se presentan en la figura 7. Se pueden observar dos zonas, en las frecuencias bajas, el comportamiento en ambos casos es similar al de una resistencia, es decir la fase entre el voltaje aplicado y la corriente es cercana a 0°. Para las 15 �Caracterización de las propiedades eléctricas locales del CaCu3Ti4O12/ Zarel Valdez-Nava, et al. Fig. 7.a. Impedancia. b.Ángulo de fase en régimen alternativo para las mediciones sobre un grano y a través de una frontera de grano de CCTO. frecuencias más altas (>104 Hz), el comportamiento es de tipo capacitivo con una respuesta a -90°. La parte capacitiva a alta frecuencia corresponde a la capacitancia creada entre el espacio entre las puntas (alrededor de 10-14 F), en cambio, a baja frecuencia, los valores medidos corresponden a la respuesta de la muestra. El modelo CBDI considera que la respuesta capacitiva debe localizarse en las fronteras de grano. Los resultados de la figura 7 indican que tanto el grano como la frontera de grano tienen una respuesta resistiva en CA. Fu et al.11 habían observado algo similar en MFA, pero únicamente en mediciones en CC. Estos resultados constituyen los primeros en régimen de CA que indicarían que la respuesta de un grano y de la frontera de grano tienen un comportamiento resistivo (semiconductor) con una fase θ ~ 0°. Las implicaciones de estos resultados pueden ser importantes, ya que la correlación EImicroestructura tendría que ser redefinida. Estudios complementarios son necesarios para verificar el comportamiento resistivo de la frontera de grano, puesto que las mediciones en superficie tienen limitaciones debido a que no es posible determinar exactamente la distribución de campo en la microestructura tridimensional. Corriente continua (CC) Para determinar si las características eléctricas locales tienen una relación con la asimetría eléctrica observada en la muestra macroscópica, se realizó una caracterización individual de los granos y las fronteras de grano en la sección transversal de la muestra. En la figura 8 se presenta un corte Fig. 8. Corte transversal de la muestra de CCTO. Las fronteras de grano se identificaron con color para mejorar el contraste de la imagen (En blanco y negro con tono oscuro entre granos). 16 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Caracterización de las propiedades eléctricas locales del CaCu3Ti4O12/ Zarel Valdez-Nava, et al. transversal de la muestra con las fronteras de grano señaladas con tratamiento de imágenes. Los resultados de las mediciones eléctricas de los granos y de las fronteras de granos presentadas en la figura 9.a., corresponden a los granos que están indicados en la figura 9.b. Las mediciones en CC se realizaron aplicando la corriente en ambos sentidos, mediante la inversión de los cables. A pesar de que la distancia entre las puntas se mantiene constante, la presión de contacto y la rugosidad (después del tratamiento térmico para revelar los granos) impactan sensiblemente las mediciones, por lo que se debe tener cuidado al colocar las puntas nuevamente; de esta manera los resultados son reproducibles con <5% de diferencia entre mediciones. La respuesta a nivel local tanto en los granos como a través de las fronteras de grano tiene un comportamiento no-lineal, también llamado no-óhmico. De acuerdo con el modelo CBDI, la respuesta a través de la frontera de grano debería tener un comportamiento sensiblemente diferente al de los granos, con un nivel de corriente inferior a voltaje equivalente. En los resultados presentados en la figura 9, la corriente a través de una frontera de grano es similar en comportamiento a la de otros granos. Un aspecto que queda a tratar es el impacto de la metalización en las propiedades eléctricas, ya que como en el caso del silicio, el contacto semiconductor-metal, cuando es de tipo no-óhmico, puede generar zonas de depleción. El tamaño de estas zonas dependerá entonces del tipo de barrera que se forma (por ejemplo, de tipo Schottky) y la distribución de defectos en el material. CONCLUSIÓN Fig. 9.a. Curvas I(V) para las respuestas en los granos en la sección transversal de la muestra y para una frontera de grano (entre G1 y G2). El comportamiento eléctrico de un cerámico de CCTO policristalino presenta una permitividad dieléctrica colosal y una característica no-óhmica. La característica voltaje-corriente para una muestra presenta un comportamiento asimétrico, según la manera en que se aplique el voltaje. Un análisis en CC de los granos individuales no permite relacionar la asimetría observada con algún gradiente de propiedad eléctrica mediante esta técnica. Fig. 9.b. El color de cada curva de 8a corresponde al de los granos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 17 �Caracterización de las propiedades eléctricas locales del CaCu3Ti4O12/ Zarel Valdez-Nava, et al. Los resultados de EI en la superficie de la muestra indican que tanto la respuesta de los granos como las fronteras de grano presentan un comportamiento no-capacitivo, lo que no corresponde al ajuste de los modelos macroscópicos como el CBDI. El papel de los electrodos y el tipo de contacto no es suficientemente claro. Si se hace una analogía entre los fenómenos de materiales “modelo” como el silicio y el CCTO, será necesario en trabajos futuros, relacionar la química de los defectos, su impacto en el contacto eléctrico, en los mecanismos de conducción y en las características dieléctricas de los materiales con permitividad colosal. REFERENCIAS 1. Subramanian MA, Li D, Duan N, Reisner BA, Sleight AW. High Dielectric Constant in ACu3Ti4O12 and ACu3Ti3FeO12 Phases. 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Lunkenheimer P, Bobnar V, Pronin A, Ritus A, Volkov A, Loidl A. Origin of apparent colossal dielectric constants. Phys Rev B, 2002, 66(5):052105. 9. Chung S-Y, Kim I-D, Kang S-JL. Strong nonlinear current-voltage behaviour in perovskitederivative calcium copper titanate. Nat Mater, 2004, 3(11):774–778. 10. Chung S-Y. Comment on “Origin of Giant Dielectric Response in Nonferroelectric CaCu3 Ti 4O 12: Inhomogeneous Conduction Nature Probed by Atomic Force Microscopy.” Chem Mater, 2008, 20(19):6284–6285. 11. Fu D, Taniguchi H, Taniyama T, Itoh M, Koshihara S-Y. Origin of Giant Dielectric Response in Nonferroelectric CaCu 3Ti 4O 12: Inhomogeneous Conduction Nature Probed by Atomic Force Microscopy. Chem Mater, 2008, 20(5):1694–1698. 12.Valdez-Nava Z, Dinculescu S, Lebey T. Nonsymmetrical electric response in CaCu3Ti4O12 and La0.05Ba0.95TiO3−δ-SPS materials. J Phys D: Appl Phys, 2010, 43(38):385401. 13.Marchin L, Guillemet-Fritsch S, Durand B. Soft chemistry synthesis of the perovskite CaCu3Ti4O12. Prog Solid State Chem, 2008, 36:151–155. 14. Marchin L, Guillemet-Fritsch S, Durand B, Levchenko AA, Navrotsky A, Lebey T. Grain Growth-Controlled Giant Permittivity in Soft Chemistry CaCu3Ti4O12Ceramics. J Am Ceram Soc, 2008, 91(2):485–48 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Nuevos fotocatalizadores Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7 para la eliminación de contaminantes presentes en el agua Mayra Zyzlila Figueroa-Torres, Leticia M. Torres-Martínez, Miguel Ángel Ruiz-Gómez, Isaías Juárez-Ramírez, Christian Gómez-Solís Departamento de Ecomateriales y Energía, Facultad de Ingeniería Civil, UANL. m_zyzlila@yahoo.com.mx RESUMEN En esta investigación se reporta por primera vez la síntesis del óxido tipo pirocloro Sm2FeTaO7 por los métodos de reacción en estado sólido y sol-gel, así como el óxido Sm2InTaO7 mediante sol-gel. Los resultados de la caracterización estructural revelaron que el óxido Sm2FeTaO7 cristaliza en el sistema monoclínico con grupo espacial C2/c mientras que el óxido Sm2InTaO7 cristaliza en el sistema cúbico y grupo espacial Fd-3m. Para ambos materiales, cuando se utilizó el método sol-gel se obtienen materiales con propiedades morfológicas y superficiales diferentes, principalmente, en su tamaño de partícula y área superficial específica. La evaluación fotocatalítica mostró que el Sm2FeTaO7 es activo en la eliminación del colorante índigo carmín bajo condiciones reales de radiación solar. Mientras que, el Sm2InTaO7 es eficiente para reducir el ion Cr (VI) y degradar el colorante cristal violeta. PALABRAS CLAVE Materiales multifuncionales, fotocatálisis solar, degradación de colorantes, reducción de cromo. ABSTRACT This research reports on the synthesis of a new pyrochlore-related oxide Sm2FeTaO7 by both solid state reaction and sol–gel synthesis routes, as well Artículo basado en el as the synthesis of Sm2InTaO7 by sol-gel for first time.The results revealed that proyecto “Nuevos óxidos multifuncionales Sm2FeTaO7 Sm2FeTaO7 crystallizes in the monoclinic system with space group C2/c and y Sm 2InTaO 7 para la des- Sm2InTaO7 crystallizes in the cubic system with space group Fd-3m. Sol-gel contaminación de agua vía allows the synthesis of materials with lower particle size and higher surface fotocatálisis heterogénea”, area values than the solid state produced oxides. Additionally, the photocatalytic el cual obtuvo el Premio results showed that indigo carmine molecule can be degraded under solar light de Investigación UANL 2012, en la categoría de irradiation using Sm2FeTaO7 while Sm2InTaO7 is able to cause the photoreduction Ciencias Exactas, otorgado of Cr (VI) ions and degrade crystal violet dye in aqueous solution. en la Sesión Solemne del KEYWORDS Consejo Universitario de la Multifuctional materials, solar photocatalysis, dyes degradation, Cr reduction. UANL, celebrada el 12 de septiembre de 2012. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 19 �Nuevos fotocatalizadores Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7 para la eliminación... / Mayra Z. Figueroa-Torres, et al. INTRODUCCIÓN En la actualidad, el tema de la descontaminación del agua es un área que requiere de atención prioritaria. Los métodos tradicionales de purificación no son capaces de eliminar compuestos orgánicos complejos como los colorantes o los metales pesados. Por ello, la investigación y generación de nuevos materiales constituye un pilar básico en el desarrollo de tecnologías eficientes y sustentables para este fin. La fotocatálisis heterogénea es uno de los procesos que más interés han despertado, se basa en reacciones de oxidación y reducción capaces de desintegrar la estructura química de los contaminantes. Para ello, se requiere de un material capaz de activarse por medio de energía luminosa como la solar. Lo que le otorga a la fotocatálisis un importante y significativo valor medioambiental. Dado que la eficiencia del proceso fotocatalítico así como la cantidad de radiación solar que puede ser aprovechada depende por completo de las propiedades del semiconductor, un factor clave es el diseño de semiconductores avanzados con propiedades adecuadas para actuar como fotocatalizadores. Los óxidos metálicos ternarios conocidos como pirocloros de fórmula general A23+B3+B´5+O7 (A y B son iones metálicos), son compuestos con estructura predominantemente cúbica que permiten la utilización de una amplia gama de elementos químicos en los sitios A y B; siempre y cuando se cumplan los criterios de radio iónico y neutralidad de cargas.1-6 Estos compuestos han presentado una gran variedad de interesantes propiedades físicas y químicas, por lo cual han recibido especial atención en el área de la fotocatálisis. De acuerdo con la literatura, la mayoría de los óxidos tipo pirocloro son sintetizados mediante reacción en estado sólido a altas temperaturas durante periodos de tiempo prolongado, obteniéndose sólidos altamente cristalinos pero con baja área superficial y tamaño de partícula grande.5,7-11 Por otro lado, utilizando el método de síntesis de química suave solgel es posible obtener materiales bajo condiciones moderadas de reacción, controlar la estructura cristalina, área superficial, así como el tamaño y forma de las partículas. 3,12,13 20 Este trabajo consistió en el desarrollo de un nuevo material Sm2FeTaO7, empleando dos metodologías de síntesis: la reacción en estado sólido y la técnica solgel. Se resolvió su estructura cristalina y se estudiaron sus propiedades fisicoquímicas a través de técnicas de caracterización como microscopía electrónica de barrido y espectroscopía de UV-vis entre otras. La actividad fotocatalítica se evaluó en la degradación del colorante índigo carmín bajo la exposición directa a la radiación de luz solar. Además, se realizó por primera vez la síntesis del Sm2InTaO7 mediante la ruta solgel, se estudiaron sus propiedades fisicoquímicas y se evaluó su actividad fotocatalítica para la degradación del colorante cristal violeta y la reducción del cromo (VI) presentes en disolución acuosa. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Síntesis de los materiales por el método de reacción en estado sólido Para la reacción, se utilizaron como precursores los óxidos Sm2O3, Fe2O3, In2O3 y Ta2O5 dependiendo del compuesto a sintetizar. Los óxidos fueron secados a 200 ºC durante 4 horas previo a la síntesis. Posteriormente, las cantidades estequiométricas de cada óxido se pesaron y se mezclaron con acetona. Cada mezcla de los sólidos se colocó de manera separada, en un crisol de platino y se sometieron a tratamiento térmico en atmósfera de aire hasta completar la reacción. Síntesis de los materiales por el método sol-gel Para el proceso sol-gel, se emplearon las cantidades estequiométricas de acetato de samario, acetilacetonato de fierro, acetilacetonato de indio y etóxido de tantalio dependiendo del óxido a sintetizar. Cada precursor se mezcló con el disolvente adecuado y se mantuvo en agitación magnética y reflujo a 70 ºC por 1 hora. Posteriormente se mezclaron las disoluciones manteniendo el reflujo por 48 horas. Después, se agregó hidróxido de amonio para ajustar el pH a 10, y se mantuvo en reflujo por otras 48 horas. Finalmente, la mezcla se secó a 100 ºC durante 24 horas para obtener el fresco de sol-gel. Este material fue tratado a diferentes temperaturas en atmósfera de aire hasta completar la reacción. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Nuevos fotocatalizadores Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7 para la eliminación... / Mayra Z. Figueroa-Torres, et al. Impregnación del Sm2FeTaO7 Los materiales de Sm2FeTaO7 fueron mezclados con 1 % en peso de CuO, partiendo del nitrato de cobre (II) en solución la cual se calentó lentamente hasta la evaporación del solvente. Posteriormente, se dio tratamiento térmico a 400 ºC durante 1 hora para obtener la fase CuO sobre la superficie del Sm2FeTaO7. Caracterización Con el objetivo de determinar las características estructurales, las propiedades ópticas, morfológicas y texturales de los materiales, se realizó la caracterización fisicoquímica mediante las técnicas de Difracción de Rayos X en polvos (DRX), el método de refinamiento de Rietveld, Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), espectroscopía UVvis para sólidos, y fisisorción de nitrógeno. Pruebas Fotocatalíticas Se evaluó la actividad fotocatalítica para la degradación del colorante índigo carmín, cristal violeta y en la reducción de iones cromo (VI). En todos los casos, se estableció el equilibrio de adsorción-desorción en la oscuridad durante 60 minutos y también se realizó una prueba de fotólisis. El seguimiento de las tres reacciones se realizó mediante UV-vis. Degradación del colorante índigo carmín usando Sm2FeTaO7 Las pruebas se realizaron bajo radiación directa de luz solar en la ciudad de Monterrey, Nuevo León, México utilizando reactores de vidrio. El material se dispersó en una disolución acuosa del colorante índigo carmín con concentración de 10 partes por millón (ppm) en una relación gramos por litro de 1:1. Durante el experimento, la temperatura de las disoluciones se mantuvo en 30 ºC. Para el seguimiento de la reacción se tomaron alícuotas cada dos horas durante un periodo de 10 horas, las partículas del fotocatalizador se removieron mediante centrifugación. El porcentaje de degradación del colorante se determinó tomando como referencia la banda de absorción a 610 nm. Los datos sobre la radiación solar fueron proporcionados Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 por el Sistema Integral de Monitoreo Ambiental (SIMA) de Monterrey, Nuevo León, México. DEGRADACIÓN DEL COLORANTE CRISTAL VIOLETA Y REDUCCIÓN DE CROMO (VI) USANDO Sm2InTaO7 Degradación del cristal violeta Las pruebas se realizaron en un reactor de laboratorio equipado con una lámpara UV tipo pluma (UV Products, 254 nm y 4,400 µW/cm2). Para los experimentos, se preparó una disolución acuosa de 10 ppm del colorante cristal violeta. El pH de la disolución se ajustó a 3 adicionando ácido sulfúrico concentrado. Después, 150 mL de la disolución se mezclaron con 100 mg del Sm2InTaO7. Se tomaron alícuotas cada 10 minutos, las cuales fueron centrifugadas para remover las partículas del fotocatalizador. El porcentaje de degradación del cristal violeta se determinó tomando como referencia la banda de absorción máxima a 590 nm. Además, se le dio seguimiento al proceso de mineralización empleando un equipo analizador de Carbono Orgánico Total (COT). Reducción del cromo (VI) Las pruebas se efectuaron en el reactor descrito anteriormente. Para este caso, se preparó una disolución acuosa de 20 ppm de cromo (VI) usando dicromato de potasio, la disolución se ajustó a pH = 2 adicionando ácido sulfúrico concentrado. En seguida, 150 mL de la disolución se mezclaron con 100 mg del Sm2InTaO7. Durante la reacción se tomaron alícuotas cada 20 minutos, y se centrifugaron para remover las partículas del fotocatalizador. El porcentaje de remoción del cromo (VI) se determinó tomando como referencia la banda de absorción a 348 nm. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La caracterización del Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7 se realizó como se describe a continuación. Difracción de rayos X en polvos En la figura 1 se presentan los difractogramas obtenidos para el Sm2FeTaO7 sintetizado por estado sólido y sol-gel. En ambos casos, la posición de las 21 �Nuevos fotocatalizadores Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7 para la eliminación... / Mayra Z. Figueroa-Torres, et al. Fig. 1. Patrones DRX obtenidos del refinamiento de Rietveld del Sm2FeTaO7. reflexiones es muy similar, sin embargo su intensidad y anchura es diferente debido al tratamiento térmico efectuado en cada ruta de síntesis. Estos resultados indican que es posible la obtención del nuevo óxido Sm2FeTaO7 con alta pureza mediante reacción en estado sólido y sol-gel.14 En la figura 2 se presenta el difractograma correspondiente al Sm2InTaO7 sintetizado por solgel. Este resultado reveló que dicho óxido pudo ser obtenido de forma pura a 1200 ºC y 12 horas de reacción, mientras que mediante reacción en estado sólido (DRX no presentado) se necesitó de 1400 ºC y 72 horas para obtener la fase pura, de acuerdo a lo reportado por Torres-Martínez et al.15 Se observó que en ambos óxidos, Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7, al emplear la ruta sol-gel se requirió de una menor temperatura para la formación de Fig. 2. Patrones DRX obtenidos del refinamiento de Rietveld del Sm2InTaO7. 22 la fase pura, debido a que los reactivos organometálicos usados reaccionan homogéneamente y producen un óxido amorfo como precursor, el cual bajo tratamientos térmicos moderados produce el material cristalino. De acuerdo con los resultados de DRX del Sm2FeTaO7, los patrones obtenidos difieren con respecto a los que presentan los óxidos tipo pirocloro con estructura cúbica, como el caso del Sm2InTaO7. Por lo tanto se puede asumir que el nuevo óxido Sm2FeTaO7 cristaliza en un sistema diferente al cúbico. Los óxidos con fórmula general A2BB´O7 son considerados tipo pirocloro, y la gran mayoría posee estructura cúbica (grupo espacial Fd-3m).3,10,12,16 Sin embargo, dependiendo de los elementos que se utilicen en los sitios A y/o BB´ estos compuestos también pueden cristalizar en estructuras de menor simetría tales como el Bi 2FeVO 7 y Bi 2AlVO 7 (tetragonal), 17,18 Er 2Mn 2/3Re 4/3O7 (trigonal), 19,20 Y2YbSbO7 (ortorrómbica),11 o Y2FeMoO7 y Bi2Zn2/ 21,22 3Nb4/3O7 (monoclínica). Determinación de parámetros estructurales La estructura cristalina del Sm2FeTaO 7 fue determinada mediante el refinamiento de Rietveld empleando un modelo teórico basado en la estructura monoclínica con grupo espacial C/2c (no. 15).21 Para el refinamiento se consideró que los iones Fe3+ y Ta5+ ocupan los mismos sitios con igual proporción. La figura 1 presenta los difractogramas obtenidos del refinamiento de Rietveld, observando que ambos patrones son muy similares. Esto indica que todas las reflexiones pueden ser indexadas en base a la estructura cristalina monoclínica con grupo espacial C/2c. En la tabla I se presentan los datos cristalográficos y factores de confiabilidad, los cuales son lo suficientemente bajos otorgando certeza a los datos calculados. Los parámetros de celda en ambos casos son muy similares y presentan concordancia con lo reportado para óxidos similares con estructura monoclínica.21,22 Para el refinamiento de Rietveld de la estructura del Sm2InTaO7 se empleó un modelo teórico basado en el sistema cúbico y grupo espacial Fd-3m.10 Se consideró que los iones In3+ y Ta5+ ocupan el mismo sitio con igual proporción. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Nuevos fotocatalizadores Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7 para la eliminación... / Mayra Z. Figueroa-Torres, et al. Tabla I. Datos cristalográficos obtenidos mediante el refinamiento Rietveld del Sm2FeTaO7. Parámetro Estado sólido 1400ºC Sol-gel 800ºC a (Å) 13.1307(5) 13.0913(2) b (Å) 7.5854(3) 7.5622(6) c (Å) 11.6425(4) 11.7358(6) β (°) 100.971(2) 100.933(4) Z 8 8 Rwp’ (%) 6.19 6.85 χ 2.11 2.56 2 De acuerdo con la figura 2, el difractograma experimental y el calculado son similares, indicando que todas las reflexiones pueden ser indexadas al sistema cúbico y el grupo espacial Fd-3m. Los resultados de los datos cristalográficos y factores de confiabilidad se presentan en la tabla II, observándose esta similitud en todos los casos. Arreglo estructural En la figura 3 se presenta el arreglo estructural del Sm2FeTaO7, el cual exhibe capas alternadas de Sm–O y Fe/Ta–O, ver figura 3.a. La capa de Sm–O está conformada por cationes Sm1 y Sm2, que están coordinados a ocho y siete átomos de oxígeno, respectivamente. Por otro lado, en la capa de Fe/Ta–O, los cationes Fe/Ta1 y Fe/Ta3 están coordinados a seis átomos de oxígeno, formando octaedros irregulares interconectados mediante una cadena del tipo BTH (bronce de tungsteno hexagonal), mientras que los átomos Fe/Ta2 están localizados cerca del centro del hexágono, ver figura 3.b. La cadena BTH es fundamental en las estructuras relacionadas con los óxidos tipo pirocloro.20 a b Tabla II. Datos cristalográficos obtenidos del refinamiento Rietveld del Sm2InTaO7. Parámetro Sol-gel 1200ºC Estado sólido 1400ºC Reportado [10] a (Å) 10.5521(3) 10.5676(2) 10.5448(2) O1 48f “x” 0.3352(4) 0.3334(6) 0.3302(3) Z 8 8 8 Rwp’ (%) 9.8 8.6 10.1 Ha sido bien documentado que la relación de los radios iónicos rA/rB, en los óxidos tipo pirocloro y sus estructuras relacionadas con la fórmula A2BB´O7, es un factor importante para determinar el sistema en que cristalizan.3,6,23 Luan y col. reportaron17,18 que el Bi2FeTaO7 (rA/rB = 1.82) con estructura cúbica cambió a estructura tetragonal cuando los sitios BB´ fueron sustituidos por distintos cationes obteniéndose los óxidos Bi2FeVO7 (rA/rB = 1.97) y Bi2AlVO7 (rA/rB = 2.18). En este trabajo, se determinó que el óxido Sm2FeTaO7 (rA/rB = 1.68) cristaliza con una estructura monoclínica debido a la sustitución del fierro (Fe) por el indio (In) en el sitio B, tomando como referencia el óxido Sm2InTaO7 (rA/rB = 1.50) con estructura cúbica. La pequeña diferencia de rA/rB fue suficiente para inducir una distorsión en los octaedros, provocando el cambio en la estructura cristalina. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Fig. 3. Vista en poliedros de la estructura monoclínica del óxido Sm2FeTaO7. Los octaedros de Fe/Ta1 y Fe/Ta3 están indicados. Los átomos de Sm, Fe/Ta2 y O están representados como esferas rojas, verdes y negras, respectivamente. El arreglo estructural del Sm2InTaO7 se presenta en la figura 4, la cual consiste de una cadena tridimensional de octaedros In/Ta–O6 unidos por sus esquinas y conectados con otros mediante cadenas de In/Ta–O3 a lo largo de la dirección [001]. Los cationes de Sm se encuentran en el centro del hexágono formado por los octaedros de In/Ta–O6. Ambas estructuras, monoclínica (C2/c) y cúbica (Fd-3m) son muy similares.19,22 En los compuestos A2BB´O7 con estructura monoclínica, los octaedros [BO6-B´O6] forman intersticios de tres y seis miembros, muchas veces referido como capa BTH, la cual es equivalente a la capa octaédrica {111} presente en la estructura cúbica. La estructura cúbica está basada en un arreglo tridimensional de bloques BTH mientras que en 23 �Nuevos fotocatalizadores Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7 para la eliminación... / Mayra Z. Figueroa-Torres, et al. Fig. 4. Vista en poliedros de la estructura cúbica del óxido Sm2InTaO7. Los átomos de Sm están representados como esferas azules y los octaedros rojos corresponden a In/Ta—O6 la estructura monoclínica se tiene un arreglo en dos dimensiones. En la estructura monoclínica, los intersticios hexagonales formados por los octaedros son ocupados por los cationes B y B´, los cuales están completamente ordenados en sus sitios a diferencia de lo observado en la estructura cúbica.19 Análisis por Microscopía Electrónica de Barrido La figura 5 muestra las micrografías del Sm2FeTaO 7 y Sm2InTaO 7, en donde se pueden observar considerables diferencias respecto al tamaño de partícula. Mediante reacción en estado sólido, ambos materiales presentan partículas de superficie lisa y tamaño de 2 a 3 μm. Mientras que, por medio de la ruta sol-gel el tamaño de las partículas fue menor, de alrededor de 100 a 150 nm para el Sm2FeTaO7 y de 400 nm para el Sm2InTaO7. Dichos contrastes en el tamaño de las partículas están asociados con los tratamientos térmicos realizados para cada ruta de síntesis. Con respecto a la impregnación con CuO sobre el Sm2FeTaO7, el promedio del análisis cuantitativo fue 1.15% en peso de CuO. Espectroscopía UV-vis para sólidos De acuerdo con los resultados de la determinación de la energía de banda prohibida (Eg), los valores obtenidos fueron de 2.0 y 3.6 eV para el Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7, respectivamente. Esto indica que los materiales se activan mediante longitudes de onda menores a 620 nm para el caso del Sm2FeTaO7 y de 345 nm para el Sm2InTaO7. La diferencia en los valores de Eg de los materiales, se debe a que los 24 Fig. 5. Imágenes de MEB del Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7. electrones 3d del fierro son excitados fácilmente por la luz visible.12,24,25 Área superficial específica En la tabla III se presentan los resultados de área superficial. De manera general, los materiales sintetizados mediante estado sólido poseen área superficial baja, 1 m2 g-1. Por el contrario, mediante el método de sol-gel se obtuvieron materiales con mayor área superficial, 10 y 5 m2 g-1 para el Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7, respectivamente. La impregnación con CuO sobre Sm2FeTaO7, no modifica el valor del área superficial. Tabla III. Valores de área superficial específica. Material Método de síntesis Área Superficial (m2 g-1) Sm2FeTaO7 Estado sólido 1 Sm2InTaO7 1 CuO/ Sm2FeTaO7 Sm2FeTaO7 1 Sol-gel 12 Sm2InTaO7 5 CuO/ Sm2FeTaO7 11 PRUEBAS FOTOCATALÍTICAS Degradación del índigo carmín usando Sm2FeTaO7 En la figura 6 se presenta la cinética de decoloración de la disolución de índigo carmín. Se observó una disminución del 20% en la concentración inicial del Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Nuevos fotocatalizadores Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7 para la eliminación... / Mayra Z. Figueroa-Torres, et al. Fig. 7. Esquema del mecanismo propuesto para la degradación fotocatalítica del colorante índigo carmín. BC = Banda de Conducción y BV = Banda de Valencia. Fig. 6. Eliminación del índigo carmín bajo radiación de luz solar empleando los materiales Sm2FeTaO7 y CuO/ Sm2FeTaO7. colorante debido a la fotólisis. Por otro lado, usando los materiales preparados por estado sólido se logró la decoloración de alrededor del 7%. Esto puede atribuirse a la poca interacción entre el material y la disolución del colorante, la baja área superficial así como la recombinación de las cargas fotogeneradas. Respecto a los materiales sintetizados por sol-gel, éstos mostraron una mayor actividad, la cual fue ocho veces mayor comparados con los materiales preparados por estado sólido. Es bien conocido que la actividad fotocatalítica está asociada con la naturaleza y propiedades fisicoquímicas de cada material. La presencia de partículas pequeñas provee más sitios activos y disminuye la distancia de migración de las cargas fotogeneradas, haciendo más eficiente las reacciones de oxidación-reducción sobre la superficie del material.26 La presencia de CuO en la superficie del Sm2FeTaO7 favoreció la decoloración del índigo carmín, lográndose una decoloración del 38% empleando el material obtenido por sol-gel. El CuO actúa como colector de electrones27 disminuyendo la recombinación de las cargas fotogeneradas favoreciendo la oxidación del colorante.28,30 Este mecanismo se ilustra en el esquema presentado en la figura 7. Degradación del cristal violeta usando Sm2InTaO7 En la figura 8 se presenta la degradación fotocatalítica del cristal violeta usando el Sm2InTaO7. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Fig. 8. Eliminación del cristal violeta usando los materiales de Sm2InTaO7. Decoloración (barra azul) y mineralización (barra roja). En el gráfico se aprecia que el Sm2InTaO7 es capaz de decolorar totalmente la solución después de 60 minutos de tiempo de reacción. Además, se logró una mineralización entre el 65 y 70%. Este resultado es importante desde el punto de vista ambiental ya que se asegura la destrucción completa del colorante. Foto-reducción del cromo (VI) usando Sm2InTaO7 En la figura 9.a. se presentan los espectros UVvis de la disolución de Cr (VI) obtenidos a diferentes tiempos durante la reacción fotocatalítica empleando Sm2InTaO7 preparado por sol-gel. Se aprecia que la banda de absorción situada a λ = 348 nm disminuye conforme transcurre la reacción, lo cual indica que la foto-reducción de Cr (VI) a Cr (III) se llevó a cabo. Además se detectó una banda de absorción a λ = 585 nm, la cual aumenta con el tiempo de reacción, figura 9.b. Dicha banda de absorción es una evidencia de la presencia de Cr (III) en la disolución. 25 �Nuevos fotocatalizadores Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7 para la eliminación... / Mayra Z. Figueroa-Torres, et al. Fig. 10. Foto-reducción de Cr (VI) en la ausencia y presencia de los materiales de Sm2InTaO7. Fig. 9. Espectros UV-vis de la disolución de Cr (VI) obtenidos a diferentes tiempos de reacción empleando Sm2InTaO7 sintetizado por sol-gel. Este resultado fue corroborado mediante el análisis de una disolución de nitrato de cromo (III) empleado como referencia. En la figura 10 se muestra la cinética de la fotoreducción de Cr (VI). Se observa que en presencia del fotocatalizador Sm2InTaO7 se alcanza un 52 y 40% de reducción para el material sintetizado por sol-gel y estado sólido, respectivamente. La mejor eficiencia presentada por el material preparado por sol-gel está relacionada con su mayor área superficial y menor tamaño de partícula, lo cual genera más sitios activos y limita la rápida recombinación de las cargas fotogeneradas, favoreciendo las reacciones de oxidación-reducción.26,31 CONCLUSIONES Se reporta por primera vez la preparación del óxido del tipo pirocloro Sm2FeTaO7 con alta pureza utilizando tanto el método de estado sólido como 26 el de sol-gel. Así como la síntesis de Sm2InTaO7 por sol-gel. Se encontró que cuando se utiliza solgel como método de síntesis, los polvos obtenidos presentan un tamaño de partícula pequeño y un área superficial de un orden de magnitud mayor en comparación con el método de estado sólido. El Sm2FeTaO7 cristaliza en el sistema monoclínico y grupo espacial C2/c mientras que el Sm2InTaO7 cristaliza en el sistema cúbico y grupo espacial Fd3m. Esto indica que un factor muy importante en este tipo de compuestos es la elección de los elementos químicos ya que de ello depende la estructura cristalina que presentará el material. Ambos óxidos, Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7 son potenciales fotocatalizadores para la eliminación de contaminantes en disolución acuosa como el colorante índigo carmín, cristal violeta así como la reducción de cromo (VI). En particular, las características del material Sm2FeTaO7 permiten su uso como un fotocatalizador bajo condiciones reales y variantes de radiación solar. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a la UANL por el apoyo financiero otorgado a través de los proyectos PAICYT-UANL 2010 clave IT176-09 e IT171-09; al CONACYT por el apoyo económico a través de los proyectos de Ciencia Básica 2007 clave 84809 y clave 83923, así como Ciencia Básica 2008 clave 98740, y el apoyo de beca de doctorado a los M.C. Miguel A. Ruiz Gómez y M.C. Christian Gómez Solís. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Nuevos fotocatalizadores Sm2FeTaO7 y Sm2InTaO7 para la eliminación... / Mayra Z. Figueroa-Torres, et al. REFERENCIAS 1. C. K. Matsuda, F. F. Ivashita, A. Paesano, Jr., E. V. Pannunzio Miner, M. C. Blanco, R. E. Carbonio, J. B. Marimon da Cunha, L. Ghivelder. Structural, hyperfine, and magnetic properties of R2FeTaO7 compounds (R=Y, Dy, Gd, and Eu). Phys. Rev. B, 2010, 81, 014417-1 – 014417-6 2. P. Strobel, S. Zouari, R. Ballou, A. CheikhRouhou, Jean-Claude Jumas, J. Olivier-Fourcade. 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En este trabajo se presenta el estudio de las propiedades mecánicas (módulo elástico complejo: E*=E´+ iE´´) y dieléctricas (permitividad relativa compleja: εr*=εr´- iεr´´) de un copolímero, el polivinil butiral (PVB), con la finalidad de evaluar la capacidad bifuncional de este material. Reometría tradicional, análisis mecánico dinámico (DMA) y análisis dieléctrico dinámico (DDA) son las técnicas instrumentales para evaluar las propiedades del PVB. A partir de los datos experimentales se desarrolló un modelo empírico que establece una relación entre las propiedades mecánicas y dieléctricas (E´vs. εr´) del PVB; el incremento de εr’ produce un decaimiento exponencial de E’. PALABRAS CLAVE Polivinil butiral, dieléctrico, polímero, viscoelasticidad ABSTRACT Dielectric materials play an interesting role in the development of new electronic devices. In this work, the study of mechanical (complex elastic modulus: E*=E´+ iE´´) and dielectric properties (complex relative permittivity: εr*=εr´iεr´´) of a copolymer, the polyvinyl butyral (PVB) are showed. The bifunctional capacity evaluation of this material is performed by traditional rheometry, dynamic mechanical analysis (DMA) and dynamic dielectric analysis (DDA). From the experimental data, a empirical model was developed, it establishes a relationship between the mechanical and dielectric properties (E´ vs. εr´) of the PVB; the increasing of εr´ produces an exponential decay in the value of E´. KEYWORDS Polyvinyl butyral, dielectric, polymer, viscoelasticity INTRODUCCIÓN Un material dieléctrico es aquel en el que la estructura electrónica de sus átomos constituyentes es tal que, a una escala mayor al tamaño del átomo, todo el conjunto de átomos pueden posicionarse de una manera particular en el espacio, definiéndose una estructura atómica o molecular a la cual se encuentran ligados los electrones de valencia, de tal forma que dichas partículas subatómicas no pueden Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 29 �Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al. desplazarse libremente bajo la acción de un campo eléctrico externo. Si la estructura atómica y por ende la estructura electrónica de un material dieléctrico no cambian en el tiempo, entonces están en equilibrio con el medio, y cuando dicho material es sometido a la acción de un campo eléctrico externo, sus estructuras (atómica y electrónica) tienden a modificarse para buscar nuevamente el equilibrio, esto a través de un fenómeno de polarización eléctrica y/u orientación de dipolos eléctricos. Es importante mencionar que cuando el campo eléctrico aplicado es eliminado, el material tiene una fuerte tendencia a restablecer sus características estructurales originales. Aquellos materiales que pueden llegar a restablecer por completo su estructura cuando se elimina el campo eléctrico aplicado, podrán repetir el fenómeno un número infinito de veces, y se identifican como materiales dieléctricos ideales. Por supuesto estos materiales no existen en la naturaleza; sin embargo habrá algunos que tengan un comportamiento cercano al ideal, a estos materiales se les denomina “materiales dieléctricos”, siendo su principal aplicación el almacenamiento de energía eléctrica. En los materiales dieléctricos es poco probable encontrar electrones libres, lo que trae como consecuencia que estos materiales también sean buenos aislantes eléctricos, pudiendo llegar a tener una resistividad de 108 a 1016 Ωm. De lo anterior se establece que los materiales dieléctricos son buenos aislantes eléctricos, sin embargo un buen aislante eléctrico no necesariamente tiene buenas propiedades dieléctricas. La eficiencia con la que un material aislante eléctrico puede llevar a cabo la función de dieléctrico se manifiesta a través de su permitividad dieléctrica (ε). Para un material isotrópico, esta propiedad ε, es “una constante” de proporcionalidad que relaciona a un campo eléctrico aplicado a dicho material (H) con el campo eléctrico resultante (B) al interior del mismo, ecuación (1). Para este caso en particular, debido a que los → → vectores son H y B paralelos, la ε se considera un escalar. Sin embargo, para el caso de materiales no isotrópicos ε debe considerarse como un tensor de segundo orden, ya que relaciona a dos campos eléctricos que matemáticamente son tensores de primer orden. 30 → → B =ε H (1) La permitividad de un material se reporta normalmente en relación con la permitividad del vacío, ε0=8.8541878176x10-12 F/m, denominándose permitividad relativa, εr. En este sentido, a manera de ejemplo, se han reportado para materiales poliméricos valores de εr para el poliestireno de 2.4 a 3.1, para el polifluoruro de vinilo 8.0, y para el PET 3.0. Es importante mencionar que en los polímeros, la magnitud de εr está asociada principalmente al número de “dipolos eléctricos permanentes” que conforman su estructura macromolecular. Estos dipolos eléctricos son el resultado de una distribución asimétrica de los electrones en los grupos químicos de las cadenas poliméricas. Cuando se aplica un campo eléctrico externo, los dipolos se orientan elásticamente para neutralizar la acción del campo eléctrico; el número y el tipo de dipolos orientados definen la magnitud de εr. La estructura electrónica en los grupos químicos que forman parte de los polímeros también puede modificarse bajo la acción del campo eléctrico externo, induciéndose la formación de nuevos dipolos eléctricos (dipolos eléctricos no permanentes) que, al orientarse, también contribuirán a la magnitud de εr. La facilidad con que se puede inducir la formación de nuevos dipolos en un material polimérico se conoce como polarizabilidad, α. Entre los materiales más comunes que se utilizan como dieléctricos se encuentra el material cerámico titanato de bario o BaTiO 3, cuya permitividad relativa puede alcanzar valores de hasta 6900.1 En general, los materiales cerámicos son mejores dieléctricos que los materiales poliméricos, sin embargo presentan desventajas tales como, su alta fragilidad y elevadas temperaturas de proceso o transformación, lo que limita sus aplicaciones en dispositivos electrónicos modernos y mecatrónicos, los cuales deben tener cierta flexibilidad mecánica o capacidad de amortiguamiento de vibraciones mecánicas. 2,3 Algunos materiales poliméricos han sido utilizados como dieléctricos,4-7 con el inconveniente de que la comprensión de la relación propiedades dieléctricas-morfología tiene aún muchas interrogantes, entre otras razones debido a Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al. que los polímeros son materiales que se encuentran alejados del equilibrio termodinámico. En este trabajo se presenta la evaluación de las propiedades mecánicas y dieléctricas de un material polimérico cuya estructura es de tipo copolímero, el polivinil butiral o PVB, de tal manera que el comportamiento viscoelástico del PVB es analizado no solamente a partir de su manifestación mecánica, sino también a partir de su manifestación dieléctrica. Estos resultados permitirán establecer la capacidad bi-funcional (mecánica y dieléctrica) del PVB. EL POLIVINIL BUTIRAL El polivinil butiral o PVB es un copolímero (desarrollado en 1928 por Canada Shawinigan Chemicals) utilizado principalmente en el proceso de fabricación de “vidrio laminado” para la industria automotriz.8,9 El PVB se obtiene al modificar el poli-alcohol vinílico al hacerlo reaccionar por condensación con butiraldehído en medio ácido. El resultado de este proceso de modificación produce cadenas poliméricas cuya estructura está formada por tres tipos de unidades estructurales a lo largo de las cadenas de PVB, (ver figura 1), razón por la cual se considera al PVB como un copolímero.10,11 Las condiciones de síntesis del PVB determinan el contenido y distribución de las tres unidades estructurales, pudiendo tener variaciones en la composición de 65% mol para las unidades estructurales del butiral, 34% mol las del alcohol y 3% mol para el acetato. Fig.1. Representación esquemática de la estructura química del copolímero PVB. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Debido a su estructura molecular a base de enlaces covalentes, el PVB es un aislante eléctrico. En la figura 1, se identifican los grupos químicos que conforman la estructura química del PVB: acetales, hidroxilos y acetilos. Estos grupos químicos debido a la distribución asimétrica de sus electrones se pueden considerar como dipolos eléctricos, que bajo la acción de un campo eléctrico externo pueden orientarse de una manera tal que contribuyen a la magnitud de εr. Se ha demostrado que mediante un proceso de dopaje con yodo, I2 , se puede incrementar la conductividad eléctrica del PVB, resultado de la disminución tanto de la energía de activación de la conducción como de la capacidad de almacenamiento de carga eléctrica.12 También se ha reportado que un dopaje del PVB con la sal cloruro de níquel (NiCl2) permite incrementar el valor de su permitividad relativa.13 La relación entre las propiedades dieléctricas y mecánicas es un tema que presenta aún muchas interrogantes. PRINCIPIO FÍSICO DE LOS ANÁLISIS DINÁMICOS: MECÁNICO Y DIELÉCTRICO La naturaleza viscoelástica de los polímeros se puede interpretar como un comportamiento intermediario entre un líquido viscoso puro y un sólido elástico ideal. En consecuencia el estudio de la reología o viscoelasticidad de los polímeros requiere de técnicas dinámicas u oscilatorias que permitan deconvolucionar la parte elástica y viscosa de estos materiales. En base a lo anterior se utilizan en este trabajo dos técnicas experimentales de base, el análisis mecánico dinámico y el análisis dieléctrico dinámico. El principio físico del análisis mecánico dinámico o DMA por sus siglas en inglés, se fundamenta en someter una película o probeta a un estímulo mecánico periódico en forma sinusoidal, bajo condiciones isócronas o isotérmicas. Debido al carácter viscoelástico del polímero estudiado, el estímulo aplicado y la respuesta obtenida se encuentran en un ángulo δm de desfase, lo que permite deconvolucionar la respuesta en dos partes, una que está en fase y otra desfasada �/2 radianes del estímulo aplicado. Esto permite el cálculo de dos módulos, que pueden representarse en un número complejo, E*=E´+ iE´´. La parte real de este número está asociada al comportamiento elástico del polímero, 31 �Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al. en tanto la parte imaginaria se relaciona con la parte viscosa del mismo. El cociente de la componente imaginaria y real del módulo elástico complejo se le conoce como tan δm o factor de pérdida. Por otra parte, si en lugar de aplicar un estímulo mecánico a la probeta, se aplica un estímulo eléctrico (campo eléctrico) de manera periódica siguiendo una forma sinusoidal, la respuesta obtenida será una corriente eléctrica que estará en desfase un ángulo δe con respecto al estímulo aplicado. Por lo tanto, de manera análoga al cálculo del módulo elástico complejo, en este caso en particular se puede calcular la permitividad dieléctrica relativa compleja, εr*=εr´-iεr´´, en donde la parte real está asociada al almacenamiento “elástico” de cargas eléctricas, y la parte imaginaria se relaciona con la disipación de estas cargas en forma de corriente eléctrica. Esta técnica es conocida como análisis dieléctrico dinámico o DDA por sus siglas en inglés. DESARROLLO EXPERIMENTAL En esta sección se describen las pruebas experimentales que fueron utilizadas en este trabajo de investigación y que tienen por objetivo correlacionar las manifestaciones mecánica y dieléctrica de la viscoelasticidad del PVB. Películas delgadas de PVB Para una buena caracterización dieléctrica y mecánica, la geometría es un aspecto fundamental, requiriéndose que las probetas sean en forma de películas delgadas (espesor alrededor de 100 μm), siendo el área y principalmente el espesor, los aspectos geométricos más importantes. Por lo anterior, es necesario determinar el comportamiento reológico del PVB en disolución con la finalidad de definir la concentración más adecuada para preparar las películas por vaciado o “casting”. Se utilizó un reómetro Anton Paar con geometría de platos paralelos a 25°C para determinar la viscosidad dinámica h de cuatro disoluciones de PVB en tetrahidrofurano (THF); para asegurar la homogeneidad de las disoluciones se dejaban estas bajo agitación magnética (700 RPM), a 40°C durante 30 min. Las concentraciones de cada una fueron: 5, 10, 15 y 20% wt de PVB. A partir de la disolución 32 en THF con la concentración seleccionada (10% wt), cuya determinación se discutirá en la siguiente sección, se prepararon películas por “casting”, separando el disolvente por convección natural a temperatura ambiente durante 24 horas. Una vez obtenidas las películas delgadas de PVB, estas fueron caracterizadas mediante la aplicación de estímulos mecánicos y eléctricos de tipo oscilatorio en un amplio intervalo de frecuencias y temperaturas. Para el estudio mecánico oscilatorio se utilizó la técnica DMA. Por otra parte, la aplicación de estímulos eléctricos oscilatorios, se llevó a cabo utilizando DDA. Análisis mecánico dinámico Las películas obtenidas fueron estudiadas mediante DMA, utilizando un DMA 8000 de Perkin Elmer midiendo el módulo elástico complejo (E*=E´+ iE´´). Las mediciones se llevaron a cabo en modo tensión bajo condiciones isócronas a una frecuencia de 1 Hz, aplicando una amplitud de deformación de 10 μm y en un intervalo de temperaturas (T) de 25-105°C. Análisis dieléctrico dinámico Las mediciones de DDA se llevaron a cabo en un rango de frecuencias de 20 Hz- 2 MHz, utilizando un electrómetro Agilent E4980A. El voltaje aplicado que define al campo eléctrico utilizado como estímulo osciló entre -1 y 1 V, todo esto a diferentes temperaturas, desde 25°C hasta 115°C en intervalos de 10°C. En la figura 2 se muestra el esquema de instrumentación utilizado, donde el electrómetro evalúa la capacitancia de la muestra, C´ y el factor Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al. Fig. 2. Esquema de la instrumentación DDA de películas delgadas. de pérdida, tan δe, siendo posible a partir de estos valores calcular la parte real y la parte imaginaria de la permitividad relativa compleja, εr*, de acuerdo con las siguientes ecuaciones: ε r ´= ε´ C´ A = donde C0 = ε 0 ε0 C0 d tan δe = ε r ´´ εr ´ (2) (3) siendo ε0 la permitividad del vacío, A el área de los electrodos (ver figura 2) y d el espesor de la muestra. La ecuación (3) define a la tan δ e como el cociente de la componente imaginaria y real de la permitividad relativa compleja. A este parámetro también se le conoce como factor de pérdida, y es análogo a la tan δm calculada a partir del módulo elástico complejo. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En esta sección se presentan los resultados obtenidos a partir del DMA y DDA. Posteriormente, dentro de esta misma sección, se comparan las manifestaciones mecánica y dieléctrica de la viscoelasticidad del PVB. Películas delgadas de PVB En la figura 3 se observa que en todos los casos (5, 10, 15 y 20% wt) a bajas tasas de deformación (entre 10-3 y 10-1 s-1) la viscosidad permanece casi constante (comportamiento de fluido newtoniano), en tanto a tasas de deformación mayores a 10-1 s-1 la viscosidad disminuye considerablemente, lo que corresponde a un comportamiento de tipo pseudoplástico. A medida que la concentración de solvente aumenta, existe una Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Fig. 3. Reograma de PVB-disolvente en función de la rapidez de deformación. disminución global en las curvas, tanto en la región Newtoniana, como en la pseudoplástica. La facilidad para manipular al PVB se incrementa a medida que aumenta la concentración de solvente, aunque con esto disminuya evidentemente la cantidad de PVB. De acuerdo con la figura 3 el comportamiento reológico de las formulaciones 10, 15 y 20% wt de PVB, no presentan diferencias significativas. En cambio la formulación con menor cantidad de PVB (5% wt) presenta una disminución considerable de la viscosidad. Por esta razón se seleccionó la formulación con 10% wt de PVB, pudiéndose también haber utilizado las formulaciones con 15 o 20% wt de PVB. Análisis mecánico dinámico La figura 4 muestra la parte real de E*, la cual está asociada a la parte elástica del PVB. En esta figura se identifica una disminución de E’ conforme aumenta la temperatura, en un intervalo desde 25 hasta 105°C, donde es posible distinguir tres zonas diferentes. En la primera zona (25-50°C) hay un decremento poco pronunciado de E´ (dE´/dT~0) asociado a movimientos moleculares localizados de los grupos químicos más pequeños del PVB. En la segunda zona definida por un intervalo de temperaturas de 50 a 85°C, se presenta un decremento pronunciado de E´ a medida que aumenta la temperatura. Esto está asociado a la manifestación mecánica de la transición vítrea y corresponde a un aumento importante de 33 �Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al. más importante que la elasticidad cauchótica. Este comportamiento se puede interpretar como una tendencia al flujo por parte del polímero cuando la temperatura se incrementa. Fig. 4. Parte real del E* y tan δm del PVB, en función de la temperatura (a 1 Hz). grados de libertad de los movimientos moleculares de las cadenas del PVB. Finalmente, en la tercera zona, a altas temperaturas (T > 85°C), E´ sigue disminuyendo conforme aumenta la temperatura, de una manera tal que E´ podría considerarse “constante”. Este comportamiento está asociado a la elasticidad de tipo “cauchótica” del PVB, la cual es función del número de entrecruzamientos físicos entre las cadenas de PVB. Por otra parte, en tan δm vs. T, se identifican tres zonas análogas a las tres zonas de E’ en los mismos intervalos de temperatura. En la primera zona, de 25 a 50°C, tan δm permanece casi constante, con una magnitud de ≈0.13. Este bajo valor de tan δm indica que en este intervalo de temperatura la parte viscosa es menos importante que la elástica, lo cual concuerda con los elevados valores de E’~3.9x108 Pa, en el mismo intervalo de temperatura. Posteriormente en el intervalo de 50 a 69°C, tan δ m aumenta considerablemente hasta un valor máximo de 1.75, y de 69 a 85°C tan δm disminuye también de manera muy pronunciada hasta un valor de 0.44. El máximo de tan δm a 69°C es un indicador de la manifestación mecánica de la temperatura de transición vítrea (Tg) del PVB, y está relacionado con el pronunciado decremento de E’ en el mismo intervalo de temperatura. Finalmente, a temperaturas superiores a 85°C tan δm tiene nuevamente un incremento, el cual está relacionado con el comportamiento identificado como “cauchótico” en E’; pero a medida que aumenta la temperatura en esta región, tan δm muestra que la viscosidad se hace cada vez 34 Análisis dieléctrico dinámico Los resultados obtenidos a partir del análisis dieléctrico dinámico se resumen en las figuras 5 a 7. La figura 5 muestra para varias temperaturas la variación de la parte real de εr* en un intervalo de frecuencias de 20 Hz- 2 MHz. A una temperatura de 115°C, a bajas frecuencias (20 Hz a 4 KHz), εr’ permanece casi constante con una magnitud promedio de 3.15. Posteriormente en un intervalo de frecuencias de 4 KHz a 1 MHz, εr’ disminuye considerablemente hasta un valor de 2.71. A frecuencias mayores a 1 MHz, εr’ tiene un aumento importante, el cual está asociado a corrientes eléctricas parásitas en la interfase del electrodo y la película de PVB. Por otra parte, los resultados obtenidos de las mediciones experimentales de εr’ a temperaturas inferiores a 115°C, muestran que la curva de εr’ se desplaza hacia las bajas frecuencias. Este comportamiento indica que los movimientos de los dipolos eléctricos asociados al decremento de εr’ cuando la frecuencia aumenta, son procesos térmicamente activados. Los movimientos térmicamente activados de los dipolos eléctricos que definen a las curvas εr’ de la figura 5 se manifiestan de una manera análoga en las curvas tan δe (ver figura 6) en función de la Fig. 5. Parte real de la εr* del PVB, en función de la frecuencia y la temperatura. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al. curvas representan aspectos eléctricos del mismo fenómeno (comportamiento viscoelástico o reológico del PVB). Como consecuencia de lo anterior la temperatura de transición vítrea, que corresponde al máximo de tan δe en la figura 7, es de 75°C. Fig. 6. Tan δe del PVB, en función de la frecuencia y la temperatura. frecuencia, en las cuales se identifica de manera clara un máximo o pico, que se desplaza hacia las bajas frecuencias a medida que la temperatura disminuye. Con la finalidad de poder comparar la manifestación mecánica y la manifestación dieléctrica del comportamiento viscoelástico del PVB, a partir de las figuras 5 y 6 se construyeron curvas isócronas de εr´ y tan δe a la frecuencia más baja que permitió medir el equipo (20 Hz). Estas curvas experimentales se muestran en la figura 7, las cuales al igual que las curvas experimentales isócronas de E’ y tan δm de la figura 4, presentan tres zonas diferentes pero en intervalos de temperatura ligeramente desfasados. Esto último, se debe a que los resultados de la figura 4 representan aspectos mecánicos y en la figura 7 las Fig. 7. Parte real de la de la temperatura. εr*y tan δe del PVB, en función Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Comparación entre DMA y DDA En la figura 8 se muestra la comparación de la parte real del E* y la parte real de la εr* del PVB, en función de la temperatura. Aquí se aprecia que es posible identificar una relación entre las manifestaciones mecánica y dieléctrica de la viscoelasticidad de dicho material. A bajas temperaturas el valor de E se mantiene uniforme mientras la ε r´ posee un valor muy bajo, casi constante. Por otro lado, a altas temperaturas, pasando la región de la transición vítrea del PVB, se observa el efecto contrario; el valor de E’ disminuye mientras el valor de εr´ aumenta. Fig. 8. Comparación de E´ y εr´ en función de la temperatura. El gráfico 9 muestra la comparación de tan δm obtenida por DMA y la tan δe obtenida mediante DDA (estímulo mecánico vs. estímulo eléctrico), en función de la temperatura. En esta figura se identifica de manera más clara que la Tg calculada a partir del DMA es de 69°C, mientras que la Tg estimada a partir del DDA es de 75°C. La diferencia entre estos valores se debe, entre otros aspectos, a que en el DMA el estímulo mecánico induce movimientos en todos los grupos químicos que constituyen las macromoléculas del PVB, mientras que en el DDA el estímulo eléctrico actúa de manera selectiva sobre los grupos químicos que presentan momento dipolar eléctrico. 35 �Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al. Fig. 9. Comparación de tan función de la temperatura. δm (DMA) y tan δe (DDA), en A partir de los datos experimentales de la figura 8 se construyó el gráfico de la figura 10, en la que se muestra de manera clara, como el incremento de εr’ corresponde a un decaimiento exponencial de E’. Fig. 10. Modelo empírico de la relación entre E´ vs. para el PVB. εr´ CONCLUSIONES La evaluación de las propiedades dieléctricas (tan δe) mediante DDA permite estimar la temperatura de transición vítrea del PVB, la cual es comparable con la estimada a partir de las mediciones experimentales de DMA. Es posible determinar una relación entre las propiedades mecánicas y dieléctricas del copolímero PVB. El incremento de las propiedades dieléctricas del PVB induce un decaimiento exponencial de sus propiedades mecánicas. 36 REFERENCIAS 1. Vijatović M. M., Bobić J. D., Stojanović B. D.; “History and Challenges of Barium Titanate: Part II”, Science of Sintering, 40, 2008, pp. 235244. 2. Chung D. D. L., “Review: Materials for vibration damping”, Journal of Materials Science, 36, 2001, pp. 5733-5737. 3. Asare T. A., Poquette B. D., Schultz J. P., Kampe S. 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El INSTITUTO MEXICANO DE ACÚSTICA LA ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Y EL COLEGIO DE INGENIERIOS EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA Invitan al XIX CONGRESO INTERNACIONAL MEXICANO DE ACÚSTICA CIUDAD DE MÉXICO, MÉXICO 5 - 7 diciembre, 2012 CONFERENCIAS, POSTERS, CURSOS, EXPOSICIÓN TEMÁTICAS: Audio, Acústica Arquitectónica, Música, MIDI, Acústica Física, DSP, Ruido, Vibraciones Mecánicas, Bioacústica, Comunicaciones, Normas, Etc. INSTITUCIONES PARTICIPANTES: Acoustical Society of America, Asociación Mexicana de Ingenieros y Técnicos en Radiodifusión, Cámara de la Industria de la Construcción, Del. Oaxaca, Cenidet, Centro Nacional de Metrología, CIIDIR Oaxaca, Instituto Guerrerense de la Cultura, Instituto Politécnico Nacional, Instituto Tecnológico Superior de Uruapan, Tecnológico de Veracruz, Universidad Autónoma de Nuevo León, Universidad de Guadalajara, Universidad de Guanajuato, Universidad de las Américas en Puebla, Universidad Latina de América, Universidad Tecnológica Vicente Pérez Rosales (Chile). SEDE: Centro de Convenciones del Hotel Casa Inn, Río Lerma #237, Ciudad de México, México. INFORMACIÓN Coordinación General: M.Sc. Sergio Beristáin: sberista@hotmail.com TEL. (52 - 55) 5682 - 2830, 5682 - 5525, FAX (52 - 55) 5523 - 4742 Coordinación ESIME: Ing. Patricia Ramírez. TEL. (0155)-5729 6000 x 54652 Coordinación CICE: Dr. Jorge A. Maciel. (0155)-5729 6000 x 64632 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 37 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas Román Jabir Nava QuinteroA, Juan Antonio Aguilar GaribA, Sophie Guillemet-FritschB, M. Edgar Reyes MeloA, Bernard DurandB CIIDIT-FIME-UANL. Universidad de Toulouse III, Paul Sabatier, Centre Interuniversitaire de Recherche Ingénierie Materiaux juan.aguilargb@uanl.edu.mx A B RESUMEN Se diseñó una barbotina cuyo comportamiento viscoelástico resulta óptimo para obtener cintas cerámicas a base de BaTiO3 de 3 μm mediante “tape casting”. Se demuestra que el módulo elástico de la viscoelasticidad es relevante en el espesor final de la cinta. Estas cintas se utilizan regularmente en la industria de los capacitores cerámicos multicapas, y se considera en la industria en general que el espesor mínimo que se puede obtener mediante “tape casting” es de 3.5 μm, por lo que los resultados de este trabajo corresponderían en estos términos a cintas ultradelgadas. Se encontró que el solvente más adecuado es una mezcla tolueno-etanol, un copolímero graft ABn o fosfato éster como dispersantes, y PVB de peso molecular medio como aglutinante. PALABRAS CLAVE Viscoelasticidad, suspensión, tape casting, BaTiO3 ABSTRACT A barbotine design which viscoelastic behavior is optimal for “tape casting” of ceramic tapes based on BaTiO3 of 3 μm thickness is presented. It was proven that the elastic modulus of viscoelaticty is relevant over the final thickness of the tape. These tapes are commonly employed in the manufacture of multilayer ceramic capacitor, and it is considered in the industry that the minimum achievable thickness by means of “tape casting” is 3.5 μm, therefore the results of this work could be considered in these terms as ultrathin, It was found that the most suitable solvent is a mixture of toluene-ethanol, a graft ABn copolymer or phosphate ester as dispersants, and PVB of medium weight as agglutinant. KEYWORDS Viscoelasticity, slip, tape casting, BaTiO3 38 Artículo basado en el proyecto “Diseño de suspensiones para producir cintas cerámicas ultradelgadas para capacitores multicapas mediante ‘tape casting’”, el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2012, en la categoría de Ingeniería y Tecnología, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 12 de septiembre de 2012. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas / Román Jabir Nava, et al INTRODUCCIÓN Los capacitores son elementos esenciales en la industria electrónica y al igual que otros componentes están expuestos a las exigencias comerciales y energéticas correspondientes a la reducción de tamaño y peso, al mismo tiempo que incrementan, o por lo menos mantienen, su eficiencia energética. El principio de funcionamiento de un capacitor deja prácticamente como única posibilidad para incrementar su eficiencia volumétrica la utilización de materiales de alta constante dieléctrica en capas cada vez más delgadas, apiladas en una forma denominada como de capacitor multicapa (CMC) en el que las capas quedan conectadas en paralelo (figura 1), en la que la capacitancia de cada capa se suma. Una forma para satisfacer esta condición consiste en preparar polvo de material dieléctrico en una barbotina con la que se forma una capa delgada a la que posteriormente, mediante un proceso serigráfico, se le colocan los electrodos. Entre las técnicas más directas para producir estas capas delgadas a gran escala se encuentra el vaciado de cintas (tape casting) que la industria hace esfuerzos por continuar utilizando a pesar de que se ha llegado a un límite mínimo práctico de 3.5 μm.1-3 Dado que la parte medular de la producción de la cinta cerámica está en el vaciado de la barbotina, que es un fluido, el trabajo más importante en la reducción del espesor de la cinta, y por ende del capacitor, está en el diseño de una formulación cuyas propiedades reológicas sean adecuadas para su vaciado de cintas delgadas, de espesor menor de 3.5 μm, mediante tape casting, con lo que se podría decir que siendo este valor el límite práctico para esta técnica, cualquier espesor menor a éste calificaría de ultradelgado. TAPE CASTING La figura 2 muestra un esquema del proceso de tape casting en el que se hace pasar a la suspensión por debajo de la cuchilla, entre ésta y un sustrato. El espesor de la cinta formada depende de la velocidad de arrastre, de las propiedades reológicas de la suspensión y del espacio mismo. Si no hubiera ninguna componente elástica en el comportamiento reológico de la suspensión, entonces el control del espesor se podría lograr con sólo fijar el espacio por el que pasa la suspensión. Sin embargo hay una dificultad inherente para obtener cintas delgadas ya que la parte elástica del comportamiento viscoelástico está presente. En la figura 3 se muestran los desarrollos industriales y científicos en el campo de cintas “gruesas” y “delgadas”. Las tendencias y los Fig. 2. Esquema del proceso de vaciado en cintas “tape casting”. Fig.1. Arreglo de un capacitor multicapas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Fig. 3. Estado del arte de los avances académicos e industriales de cintas delgadas y espesas para aplicaciones de CCM.1-3,6,7 39 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas / Román Jabir Nava, et al desarrollos de materiales y procesos durante la carrera de la miniaturización están descritos en la literatura.4,5 El proceso tape casting está considerado como un método de fabricación para cintas “gruesas”, a nivel laboratorio en condiciones extraordinarias el espesor mínimo reportado es de 2 μm, mientras que en la industria el mínimo reportado es de 3.5 μm. Viscoelasticidad La viscoelasticidad es una propiedad compleja, con una componente elástica (definida por la ley de Hooke) y una viscosa (definido por la ley de Newton). El origen de este comportamiento está en la estructura interna del material y las condiciones de temperatura y frecuencia de la aplicación de la fuerza a las cuales se les somete. Además la información reportada por los reogramas de viscosidad contra la tasa de deformación, o de esfuerzo de corte contra la tasa de deformación, dan información sobre las características viscosas del material, sin embargo, éstas no dan información de la parte elástica del sistema, que en este trabajo se ha considerado muy importante para lograr vaciar cintas de espesor delgado, no basta que el módulo viscoso sea bajo, lo mismo se requiere del elástico. Es por ello, que se utiliza un impulso oscilatorio para deformar el material y determinar ambos módulos: elástico y viscoso. Prueba en modo oscilatorio Este tipo de prueba, también llamada dinámica, consiste en la aplicación de una fuerza de corte oscilatoria con una frecuencia ω a la muestra de estudio. No se trata de un régimen transitorio, sino de un régimen armónico permanente. Lo que significa que durante el movimiento periódico la onda correspondiente al esfuerzo σ(t) y la tasa de deformación γ(t) evolucionan de manera sinusoidal con respecto al tiempo, con la misma frecuencia pero con un ángulo de desfasamiento entre ellos. A partir del análisis de las señales sinusoidales de esfuerzo y tasa de deformación es posible definir el desfasamiento δ entre la tasa de corte y el esfuerzo de la muestra y su razón: En donde σ0 y γ0 representan respectivamente las amplitudes máximas del esfuerzo y la deformación. A esta razón se le denomina módulo de deformación o rigidez8 y se expresa en pascales (Pa). y, σ(t)= σ0 eiωt (1) γ(t)= γ0 ei(ωt-δ) (2) De ahí se tiene que, G*= σ0/(γ0(cos δ - i sin δ)) Donde, G’= G* cos δ G’’= G* sin δ (3) (4) (5) Así, la energía elástica conservada y restituida durante un periodo es proporcional a G’, el módulo elástico (o de conservación); mientras la energía disipada por fricción debido a la viscosidad durante el mismo ciclo es proporcional a G’’, el módulo viscoso (o de pérdida). El desfasamiento δ se relaciona con los módulos por la relación: tan δ = G’’/G’ (6) El cual sería de 0° (para un sólido elástico perfecto, si G”=0) y 90° (para un líquido puramente viscoso que no tiene componente elástica, G´=0). Cabe señalar que δ y tan δ se denominan ángulo de pérdida y tangente de pérdida. La dependencia de las variables reológicas oscilatorias en función a la frecuencia resultan en una especie de filtro donde sólo existe respuesta de los grupos que tienen tiempos respuesta cercanos a las frecuencias de pulsación utilizadas. 9 Las características dinámicas brindan información sobre los grupos que componen la estructura, siendo una técnica importante para el desarrollo de dispersiones de alto rendimiento.10 MATERIALES BaTiO3 La tabla I muestra las características de los polvos de BaTiO 3 utilizados; dos de Sakai Chemical (Japón); y dos más elaborados de Marion Technologies (Francia). G*= σ0/γ0 40 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas / Román Jabir Nava, et al Tabla I. Características físico-químicas de los polvos de BaTiO3 utilizados. Muestra BT-01 Fabricante BT-02 Sakai Chemical Co. MT-02 MT-03 Marion Technologies Tamaño de partícula Distribución de tamaño de partícula D10 69 191 61 108 D50 153 308 111 175 D[1,0] (nm) D90 479 741 219 237 Tamaño de partícula promedio D[4,3] (nm) 102 454 (distribución bimodal) 241 587 (distribución bimodal) Área superficial (m2/g) 12.5 7.3 91 550 1445 11482 (distribución multi-modal) 11.8 7.2 Estructura y composición Ba/Ti (+/- 2%) 0.984 1.008 1.019 No reportado Contenido de grupos OH¯ en la superficie (%) 22.1 7.9 14.3 27.2 Contenido de grupos CO¯ en la superficie (%) 12.1 16 20.7 11.8 Morfología Esférica Esférica Irregular Irregular Estructura cristalina Cúbica Pseudo cúbica Tetragonal Cúbica Ruta de síntesis hidrotermal hidrotermal oxalato oxalato Solventes Se seleccionó un sistema binario de solventes compuestos por un líquido con una constante dieléctrica elevada (polar) y otro de baja (no polar).11 La tabla II agrupa los detalles de los solventes utilizados. Dispersantes Se agregan agentes dispersantes para garantizar la metaestabilidad de la dispersión. Es más probable lograr la disminución de especies polares para disociar los pares de iones en la superficie de las Tabla II. Solventes utilizados para fabricar barbotinas. Solvente Constante dieléctrica relativa a la frecuencia nula Tolueno 2.2 Etanol 24.3 Metanol 33.1 Xileno 2.4 Agua 79.0 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 partículas de BaTiO3 con la ayuda de macromoléculas que forman capas alrededor de ellas. Lo que es una señal de que una dispersión debe ser estabilizada por macromoléculas que promuevan mecanismos de repulsión estérica que eviten la agregación entre partículas. Históricamente, ha existido un reto en cuanto a la compatibilidad de sistemas solventes con los tipos de dispersantes utilizados como se lo reporta la literatura.8,12,13 En la tabla III se muestran los dispersantes utilizados para los diversos experimentos. Aglutinante A bajas concentraciones el PVB puede actuar como dispersante dado que en su estructura contiene grupos hidroxilo y éster. Entonces para evitar la competencia de éste con el dispersante para la adopción sobre las partículas cerámicas, el aglutinante, es agregado después de los procesos de molido o dispersado.11 Se seleccionaron tres tipos, con respecto al peso molecular, de PVB (tabla IV) para formar cintas cerámicas con espesores < 3 µm, y se mantuvo la misma concentración de grupos OH- 41 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas / Román Jabir Nava, et al Tabla III. Dispersantes utilizados. Nombre Fabricante Familia M1206 Ferro Electronics Mezcla de etanol-dioctil ftalato e hidrocarburos RS410 Rhodia USA Fosfato éster polioxietileno tridecil PD 2206 Uniquema México Poliéster alifático (copolímero en tribloque ABA) PD 1000 Uniquema México Poliéster oligomérico (ligeramente anióonico) KD 6 Uniquema México Copolímero grafeado tipo ABn Triton X-100 Aesar, USA Octilfenol etoxilado determinación de la concentración de dispersante y selección del aglutinante. Tabla IV. Características químicas del PVB. Identificación Peso molecular Concentración Concentración de grupos de grupos hidroxilo butilo (%mol) (%mol) 5Z 32,000 21 77 min. S 23,000 22 74 ± 3 MS 53,000 22 74 ± 3 y butilo remanente para así poder comparar sólo el efecto de la longitud de cadena. MÉTODOS EXPERIMENTALES Arreglo para el “tape casting” Se adaptó una máquina de “tape casting” manual para evaluar el comportamiento de la suspensión, en la que es posible variar la distancia entre la base y la cuchilla mediante lainas de aluminio y micrómetros de ajuste de altura (figura 4). Formulación y fabricación de barbotinas Se utilizó la técnica de sedimentación para seleccionar el sistema polvo + solvente + dispersante de acuerdo al grado de compatibilidad en función a su estado metaestable. Por otra parte, se hizo una evaluación reológica en modo dinámico que permite determinar el comportamiento que la dispersión tendrá cuando sea sometida a una fuerza cortante. A continuación se describen las tres etapas de formulación de dispersiones: sedimentación, 42 Fig. 4. Esquema de la cuchilla de la máquina aplicadora, (1) Micrómetro de ajuste, (2) Laina de aluminio y (3) Mylar. Sedimentación Se seleccionaron cuatro polvos y cinco dispersantes según la tabla V. En la nomenclatura empleada para la identificación de muestras (i.e. BT01TERS4) los primeros cuatro caracteres identifican el polvo (i.e. BT01), los dos siguientes el medio de dispersión (i.e. TE), los tres siguientes el dispersante y la concentración de éste en porcentaje (i.e. RS4, RS410 al 4% en peso) Las muestras de la tabla V se prepararon de la siguiente manera: se agregaron 2 g de BaTiO3 a 10 ml de mezcla de solvente-dispersante, el contenido de dispersante fue de 3% en peso con respecto a la cantidad de BaTiO3, todo se puso en un tubo de ensayo y sellado por una tapa de hule. Las suspensiones (polvo + solvente + dispersante) se dejaron estabilizar por 30 minutos, con el objetivo de que el dispersante se adsorbiera a las partículas. Enseguida se agitaron mediante ultrasonido durante 10 min a una frecuencia de 42 Hz. Posteriormente, las muestras se dispusieron en posición vertical dentro de un cuarto con una temperatura controlada entre 21°C y 23°C y 60% de humedad relativa. La altura máxima se registró como (H0) y es la referencia. La altura del frente de sedimentación (H) se midió periódicamente cada 8 h. Las mediciones se realizaron por un tiempo de dos semanas. Las muestras que se consideraron como aptas o metaestables son aquellas en las cuales después de diez días la razón H/H0 fue de al menos 0.7 (figura 5). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas / Román Jabir Nava, et al Tabla V. Lista de muestras elaboradas para la prueba de sedimentación. Polvo Sistema solvente Tolueno/Etanol BT-01 Tolueno/Metanol Xileno/Etanol Tolueno/Etanol BT-02 Tolueno/Metanol Xileno/Etanol Tolueno/Etanol MT-03 Tolueno/Metanol Xileno/Etanol MT-02 Tolueno/Etanol Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Dispersante Muestra Fosfato éster polioxietileno tridecil BT01TERS4 Copolímero grafeado ABA BT01TEPD2 Poliéster oligomérico BT01TEPD1 Copolímero grafeado ABn BT01TEKD6 Octilfenol etoxilado BT01TETX1 Fosfato éster polioxietileno tridecil BT01TMRS4 Copolímero grafeado ABA BT01TMPD2 Poliéster oligomérico BT01TMPD1 Copolímero grafeado ABn BT01TMKD6 Octilfenol etoxilado BT01TMTX1 Fosfato éster polioxietileno tridecil BT01XERS4 Copolímero grafeado ABA BT01XEPD2 Poliéster oligomérico BT01XEPD1 Copolímero grafeado ABn BT01XEKD6 Octilfenol etoxilado BT01XETX1 Fosfato éster polioxietileno tridecil BT02TERS4 Copolímero grafeado ABA BT02TEPD2 Poliéster oligomérico BT02TEPD1 Copolímero grafeado ABn BT02TEKD6 Octilfenol etoxilado BT02TETX1 Fosfato éster polioxietileno tridecil BT02TMRS4 Copolímero grafeado ABA BT02TMPD2 Poliéster oligomérico BT02TMPD1 Copolímero grafeado ABn BT02TMKD6 Octilfenol etoxilado BT02TMTX1 Fosfato éster polioxietileno tridecil BT02XERS4 Copolímero grafeado ABA BT02XEPD2 Poliéster oligomérico BT02XEPD1 Copolímero grafeado ABn BT02XEKD6 Octilfenol etoxilado BT02XETX1 Fosfato éster polioxietileno tridecil MT03TERS4 Copolímero grafeado ABA MT03TEPD2 Poliéster oligomérico MT03TEPD1 Copolímero grafeado ABn MT03TEKD6 Octilfenol etoxilado MT03TETX1 Fosfato éster polioxietileno tridecil MT03TMRS4 Copolímero grafeado ABA MT03TMPD2 Poliéster oligomérico MT03TMPD1 Copolímero grafeado ABn MT03TMKD6 Octilfenol etoxilado MT03TMTX1 Fosfato éster polioxietileno tridecil MT03XERS4 Copolímero grafeado ABA MT03XEPD2 Poliéster oligomérico MT03XEPD1 Copolímero grafeado ABn MT03XEKD6 Octilfenol etoxilado MT03XETX1 Fosfato éster polioxietileno tridecil MT02TERS4 Copolímero grafeado ABn MT02TEPD2 43 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas / Román Jabir Nava, et al mediante reología en modo estático y dinámico, ya que es la única manera de conocer los dos módulos de la viscosidad. Fig. 5. Esquema de la prueba de sedimentación. En la figura 6 se aprecia cómo se van sedimentando las suspensiones, se consideran para las siguientes pruebas sólo aquellas que cumplieron con el criterio mencionado de 70%. Fig. 6. Pruebas de sedimentación. Optimización de la suspensión Las suspensiones que cumplieron satisfactoriamente la etapa de sedimentación fueron seleccionadas para determinar la concentración óptima de dispersante preparando suspensiones a diferentes concentraciones, las cuales fueron, 0% (sin dispersante), 2%, 4% y 6% en peso. El procedimiento de fabricación de éstas fue el siguiente: el polvo cerámico se agregó a la mezcla de solvente y dispersante. Posteriormente, se procedió a un paso de dispersión en una jarra de polietileno con bolas de molido de zirconio de tamaño de 0.65 mm. Las condiciones fueron: 120 rpm durante 24 h para romper los agregados. El método de análisis y selección de las suspensiones se llevó a cabo 44 Optimización de la barbotina Una vez que la concentración óptima de dispersante fue determinada para las suspensiones preparadas, se procedió a fabricar las barbotinas mediante la adición y homogenización del aglutinante y el plastificante. La preparación del aglutinante se realizó en paralelo a la preparación de la suspensión y su preparación constó de agregar 15.7% en peso de PVB en polvo a una mezcla de solventes (compatibles con el solvente utilizado en la suspensión). La solubilización del PVB se realizó mediante la agitación de la mezcla (PVB solventes) por 24 h a 75 rpm y temperatura ambiente. Las suspensiones preparadas con la cantidad óptima (en base a sus propiedades viscoelásticas mostradas) se dividieron en tres partes proporcionales para agregar los tres tipos de aglutinantes (B1 con un peso molecular de 23,000, B3 de 32,000 y B5 de 53,000) más el plastificante. La proporción en peso de suspensión-aglutinante-plastificante fue de 1.41:1:0.04. Una vez completada la mezcla se procedió a homogeneizarla mediante rolado durante 24 h a 10 cpm. El método de análisis de las dispersiones fue la reología, al igual que con las suspensiones. Reología de dispersiones En este trabajo se construyeron reogramas, en modo estático y en modo dinámico. Para el primero las curvas son de viscosidad aparente contra tasa de corte en un rango comprendido entre 0.001 s-1 y 500 s-1; mientras que para el segundo las curvas son de los módulos contra frecuencia en un rango de 0.01 a 500 Hz a 25°C con una amplitud de 5% de la deformación total bajo condiciones isotérmicas. Las mediciones reológicas se realizaron con un reómetro Physica MCR301. Fabricación de cintas cerámicas El tape casting se lleva a cabo con un volumen de dispersión de 3 ml que fue depositado sobre una sección de Mylar mediante un esfuerzo de corte dado por la cuchilla al desplazarse linealmente a Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas / Román Jabir Nava, et al por un líquido polar y otro débilmente polar al que se puede considerar no polar, han resultado compatibles con algunos de los dispersantes seleccionados. Es el caso para los polvos BT-01 y BT-02 en las mezclas de tolueno-etanol y xileno-etanol. Las suspensiones que han superado el valor límite de sedimentación fueron entonces caracterizadas mediante reología. Para cada dispersión seleccionada la concentración del dispersante se varió en 0, 2, 4 y 6% en peso. La tabla VII enlista las referencias de identificación para cada muestra. una velocidad constante de 50 mm/s y una apertura de aplicación de 2.5 μm. La longitud de la cinta elaborada fue de 26 mm. El espesor de las bandas fue medido por dos métodos: microscopía electrónica y perfilometría de contacto. Las dos técnicas mostraron resultados estadísticamente iguales con resolución para cintas de espesores delgados. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la tabla VI se enlistan aquellas formulaciones que presentaron los tiempos de sedimentación determinados para considerase aptos (H/H0 ≥ 0.7 después de 10 días). Es notable que los sistemas binarios utilizados como medios de dispersión, que están compuestos Dispersantes Las viscosidades aparentes de las formulaciones sin dispersante (i.e. BT01TE, BT01XE, BT02XE) enlistadas en la tabla VII tienen un comportamiento pseudoplástico. Es notable que las muestras BT01TE y BT01XE tengan una viscosidad más elevada que aquella identificada como BT02TE. Lo anterior puede ser atribuido al efecto de área específica, la cual, es más elevada en el polvo BT01 y por consecuencia éste tendrá una fuerte tendencia a formar agregados.14 En general, se observa que las suspensiones con dispersante tipo éster oligomérico presentan una viscosidad mayor que aquellas que tienen éster fosfato. Lo cual sugiere, en cada sistema, una interacción más fuerte entre el solvente y el medio solvente con respecto a la longitud de la corona que se extiende hacia el medio y la naturaleza de las especies que conforman la corona y las moléculas que la rodean, Hay una diferencia debida al tipo de dispersante en la gama comprendida entre 50 Tabla VI. Muestras de la prueba de sedimentación con H/H0 ≥ 0.7 después de 10 días. Tamaño de partícula (nm) Solvente Tolueno/etanol 100 Tolueno/Metanol Xilene/Etanol 200 Tolueno/Etanol Xileno/Etanol Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Dispersante Identificación Fosfato éster Copolimero graft ABA Poliéster oligomerico Copolimero graft ABn Copolimero graft ABn BT01TERS4 BT01TEPD2 BT01TEPD1 BT01TEKD6 BT01TMKD6 Copolimero graft ABA Poliéster oligomérico Copolimero graft ABA Copolimero graft ABn Fosfato éster BT01XEPD2 BT01XEPD1 BT02TEPD2 BT02TEKD6 BT02XERS4 45 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas / Román Jabir Nava, et al Tabla VII. Composición de dispersiones. Referencia Dispersante BT01TERS4 Concentración de dispersante 0 % en peso 2 % en peso 4 % en peso 6 % en peso Fosfato éster BT01TE BT01TERS42 BT01TERS44 BT01TERS46 BT01TEPD1 Poliéster oligomérico BT01TE BT01TEPD12 BT01TEPD14 BT01TEPD16 BT01TEPD2 Copolímero graft ABA BT01TE BT01TEPD22 BT01TEPD24 BT01TEPD26 BT01TEKD6 Copolímero graft ABn BT01TE BT01TEKD62 BT01TEKD64 BT01TEKD66 BT01TMKD6 Copolímero graft ABn BT01TM BT01TMKD62 BT01TMKD64 BT01TMKD66 BT01XEPD2 Copolímero graft ABA BT01XE BT01XEPD22 BT01XEPD24 BT01XEPD26 BT01XEPD1 Poliéster oligomérico BT01XE BT01XEPD12 BT01XEPD14 BT01XEPD16 BT02TEPD2 Copolímero graft ABA BT02TE BT02TEPD22 BT02TEPD24 BT02TEPD26 BT02TEKD6 Copolímero graft ABn BT02TE BT02TEKD62 BT02TEKD64 BT02TEKD66 BT02XERS4 Fosfato éster BT02XE BT02XERS42 BT02XERS44 BT02XERS46 y 100 s-1 los cuales se reportan como los valores característicos del tape casting. No obstante, las diferencias de estructura y el conocimiento de la contribución elástica son importantes para establecer la metaestabilidad de la suspensión con respecto a la concentración de dispersante. La figura 8 muestra la viscosidad de polvos de 100 y 200 nm de tamaño de partícula en un medio de tolueno-etanol y un dispersante tipo graft ABn. En función al tamaño de partícula se observan diferencias notables en la magnitud y comportamiento de las suspensiones a diferentes concentraciones de dispersante. Las muestras con el polvo de 200 nm muestran una viscosidad menor en comparación al de 100 Fig. 8. Suspensión con BT-01 (100 nm) en modo oscilatorio. 46 nm. Esta figura es un ejemplo del tipo de resultados que se encontraron en todas las caracterizaciones reológicas llevadas a cabo. En general, con los dispersantes graft el polvo BT02 es el que muestra mejor desempeño con respecto a sus características reológicas de viscosidad y módulo elástico con los dispersantes “lineales”. Es posible que la causa de que el tamaño de partícula aumente pueda generar que el mecanismo de repulsión estérico sea más efectivo debido a la longitud y la compatibilidad de la corona extendida al medio. Reología de las dispersiones: efecto del aglutinante La tabla VIII agrupa las suspensiones aptas según el dispersante para procesarlas en dispersiones. El criterio de selección ha sido basado en un comportamiento newtoniano por arriba de una tasa de corte de 1 s-1 y un comportamiento viscoso predominante (módulo elástico débil). Cada suspensión se mezcló con tres diferentes aglutinantes y el mismo contenido de plastificante (DOP). En general el comportamiento reológico es gobernado por el aglutinante y a bajas deformaciones se observa un efecto del aglutinante y el dispersante en función a su estructura siendo el de mayor influencia el de mayor peso molecular. Así el aglutinante B3 (BL-SZ) con un peso molecular de 32,000 muestra las propiedades viscoelásticas más adecuadas para producir cintas delgadas mediante tape casting. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas / Román Jabir Nava, et al Tabla VIII. Suspensiones para determinar el tipo de aglutinante Referencia Dispersante Familia de aglutinantes B1 (BL-SH) B3 (BL-5Z) B5 (BL-SH) BT01TERS42 Fosfato éster BT01TERS42B1 BT01TERS42B3 BT01TERS42B5 BT01TEPD14 Poliéster oligomérico BT01TEPD14B1 BT01TEPD14B3 BT01TEPD14B5 BT01TEKD64 Copolímero graft ABn BT01TEKD64B1 BT01TEKD64B3 BT01TEKD64B5 BT01XEPD14 Poliéster oligomérico BT01XEPD14B1 BT01XEPD14B3 BT01XEPD14B5 BT02TEPD22 Copolímero graft ABA BT02TEPD22B1 BT02TEPD22B3 BT02TEPD22B5 BT02TEKD64 Copolímero graft ABn BT02TEKD64B1 BT02TEKD64B3 BT02TEKD64B5 BT02XERS42 Fosfato éster BT02XERS42B1 BT02XERS42B3 BT02XERS42B5 Fabricación de cintas cerámicas Los tres pasos anteriores son primordiales para la formulación de la barbotina con la que se produce la cinta mediante tape casting, pues determinan su calidad y finalmente el desempeño de capacitores multicapa en los que se utiliza. En este trabajo se utilizaron las formulaciones descritas en la tabla IX para conformar cintas sobre el Mylar, y se determina su espesor y rugosidad después del secado. Morfología y relación espesor-formulación Primeramente se ha determinado el espesor de cinta en crudo después de haber optimizado la dispersión. La figura 9 muestra el espesor en función a la formulación, así como, la rugosidad en función a la formulación. Es de remarcar que las formulaciones presentan las propiedades adecuadas para fabricar cintas de espesores (delgados). El valor reportado es el valor estadístico predominante (la moda) medida por un perfilómetro de contacto y el (MEB). El valor de la rugosidad reportada proviene de las lecturas del interferómetro. La figura 10 muestra las cintas de espesor de 2.1 y 2.5 μm obtenidos con los polvos BT01 y BT02 respectivamente. Sin duda la reducción del tamaño de partícula es un factor Fig. 9. (Negro) Espesor de bandas en función de la formulación. Atura de la cuchilla: 2.5 μm. (Azul) Rugosidad (Rz) de cinta por interferómetro. Tabla IX. Formulaciones de barbotinas para el tape casting. Referencia Polvo Solventes Dispersante Concentración de dispersante (% peso) Tipo de PVB (Peso molecular) B1 BT-01 Tolueno-etanol Copolímero graft ABn 4 BL-5Z (32,000) B2 BT-01 Tolueno-etanol Fosfato éster 2 BL-5Z (32,000) B3 BT-02 Tolueno-etanol Copolímero graft ABn 4 BL-5Z (32,000) B4 MT-02 Tolueno-etanol Fosfato éster 3 BL-5Z (32,000) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 47 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas / Román Jabir Nava, et al ligado a la obtención de espesor. Se aprecia que los valores de espesores más grandes son para las cintas elaboradas con el polvo BT-01 (B1 y B2) que sugiere una concentración más elevada de agregados. Las muestras B3 y B4 manifiestan una concentración de agregados menor al igual que espesores bajos. Ahora bien, es posible visualizar una etapa suplementaria durante la elaboración de la cinta como lo es una filtración para retener los agregados no desintegrados durante la etapa de molido o bien a la contaminación del material proveniente del recubrimiento del molino. Las imágenes de la superficie de la banda B3 obtenidas en el interferómetro corroboran esta hipótesis (figura 11). El valor de rugosidad de la cinta B3 es menor que el de la banda B1. De este modo se ha podido reducir el espesor de bandas hasta el límite permitido por los ajustes, sin embargo, la contaminación debida a la erosión del molino es un factor a considerar. Sin duda la barrera tecnológica bajo la técnica de Tape casting para la subsecuente reducción de espesor de cinta será la eliminación de agregados y los ajustes mecánicos en la altura de la cuchilla. Una característica importante de las cintas cerámicas elaboradas es su facilidad para despegarse del Mylar con el propósito de apilarlas para fabricar estructuras multicapas. En nuestro caso todas las cintas se despegaron sin dejar residuos cerámicos lo que resulta importante para que las bandas desarrolladas en este estudio puedan ser fabricadas a. b. Figura 10. Imágenes laterales de cinta a) B1 y b) B3. B1D B3D Figura 11. Imagen de la superficie de cintas en donde se aprecian los agregados en rojo. (Ver la version en color en Internet). 48 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas / Román Jabir Nava, et al por los métodos industriales tradicionales de fabricación de CMC. A partir de los resultados anteriores y en función de la hipótesis postulada se ha demostrado que una dispersión con una baja viscosidad y un bajo módulo elástico, es apta para conformar una cinta cerámica de 2 µm por tape casting. Por otro lado este estudio demuestra la utilización de polvos nanométricos los cuales no tienen una señal de capacitancia hacia la reducción de espesor debido a la agregación que juega un papel preponderante. CONCLUSIONES Los resultados de este trabajo llevan a las conclusiones siguientes: • Se demostró que para lograr una reducción de espesor en cintas cerámicas es necesario que las propiedades reológicas de la formulación sean una baja viscosidad y una débil contribución elástica. Se ha establecido una relación cuantitativa entre los materiales utilizados y el espesor final de cinta. Se hace énfasis en que el peso molecular promedio del aglutinante es el factor más dominante para reducir la viscosidad de la dispersión en medios no acuosos. • Una aseveración clásica propone que el uso de partículas nanométricas suponen una reducción del espesor de cinta obtenida. En este trabajo se demuestra que esta relación no se justifica. Conforme el tamaño de partícula se reduce, se incrementa su energía interfacial por efecto de las fuerzas de Van der Waals, con lo que el sistema reduce su energía libre mediante la agregación. Lo anterior resulta contraproducente en la elaboración de cintas homogéneas. • Se demostró que la selección de los solventes y el dispersante está en función del tamaño de partícula para dispersiones de BaTiO 3 concentradas al 15% (en volumen). Se encontró que la simple adición de dispersante al sistema reduce la viscosidad hasta cuatro órdenes de magnitud, sin importar el tipo de polvo de BaTiO3 o el tamaño de partícula utilizado. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 • El diseño de experimentos desarrollado en este trabajo, el cual considera indispensable el uso de la reología dinámica para el diseño de dispersiones adecuadas para elaborar cintas cerámicas delgadas. Muchos de los trabajos que caracterizan formulaciones de BaTiO3 lo hacen del punto de vista estático y con una visión de medio continuo. En cambio, el enfoque de este trabajo es un punto de vista estructural donde la viscosidad se toma como una variable compleja con una componente elástica (conservación) y otra viscosa (pérdida). Se observó que el criterio de selección de suspensiones capaces de conformar cintas de espesor de 2 µm son: una viscosidad por debajo de los 100 Pa-s y un módulo de conservación menor al de pérdida en los tiempos de relajación propios del tape casting. • Se confirmó de modo consistente que el límite de espesor para conformar cintas cerámicas delgadas uniformes por medio de la técnica de tape casting es de 2.5 μm y está limitada por los ajustes mecánicos que puedan ser realizados a una escala tan pequeña. Este valor del espesor se puede considerar como ultradelgado para la técnica de tape casting, pues alcanza los límites de otras técnicas desarrolladas especialmente para producir película delgada, como es el dip coating, spin coating, depositación química en fase vapor, que no necesariamente son igualmente útiles al tape casting para producción a escala industrial. AGRADECIMIENTOS Este trabajo se desarrolló en el marco del proyecto CONACYT PCP 11/07 (Programa de Colaboración de Posgrado) que involucra a la Universidad Autónoma de Nuevo León, particularmente a la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, a la Universidad Paul Sabatier, en particular al Institut Carnot CIRIMAT, a Kemet de México y a Marion Technologies en Francia. Se agradece el apoyo del MC. Leonel Montelongo Concha de Kemet Charged de México y del Dr. Joseph Sarrías de Marion Technologies. También se reconoce la colaboración de Jean-Jaques Demai (CIRIMAT), Celine Combettes y el Dr. Zarel Valdez Nava. 49 �Formulación de una barbotina para producir cintas cerámicas ultradelgadas / Román Jabir Nava, et al REFERENCIAS 1. Nguyen D.Q., Lebey T., Castelan P., Bley V., Boulos M., Guillemet-Fritsch S., Combettes C., Durand B. Electrical and Physical Characterization of Bulk Ceramics and Thick Layers of Barium Titanate manufactured using Nanopowders, ASM Int., 16, p. 626-634, 2007 2. Barbier B. Elaboration et caractérisation de condensateurs à base de CaCu3Ti4O12 à forte permittivité relative pour l’électronique de puissance, Thèse de doctorat, Université Toulouse III – Paul Sabatier, 2009 3. Cho C.W., Yeo J.G., Jung Y.G., Paik U. Green microstructure and mechanical properties of BaTiO3-poly (vinyl butyral) tape-cast bodies, J. of Mat. Sci. Lett. 22, p. 1639-641, 2003 4. Kishi H., Mizuno Y., Chazono H. 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Innovation matériaux avancés, 2010 10.Malkin A.Y.. Rheology fundamentals. Canada, ChemTec publishing, 1994 11.Vinotini V., Sing P., Balasubramanian M. Optimization of barium titanate nanopowder slip for tape casting, J. Mater. Sci., 41, p. 7082-7087, 2006 12.Mizuta S., Parish M. and Bowen H.K. Dispersion of BaTiO3 powders (Part I), Cer. Int., 10, p. 4348, 1984 13.Mikeska K., Cannon R. Dispersants for Tape Casting Pure Barium Titanate Proceedings of a special conference of the 85th Annual Meeting of the American Ceramic Society, held on April 24-27, Chicago Illinois, p. 164-183, 1983 14. Yoon D.H., Lee B.I. Effects of excess barium ions on aqueous barium titanate tape properties, J. Amer. Cer. Soc., 87[6], pp. 1066-107, 2004c Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Identificación de fuentes de ruido vehiculares mediante la técnica de Beamforming William D’Andrea Fonseca, Samir N. Y. Gerges Laboratório de Vibrações e Acústica, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC, Brasil. willdfonseca@yahoo.com.br, samir.acustica@gmail.com RESUMO A evolução das técnicas de avaliação de ruído tornou possível o aprimoramento dos mapas de imagem acústica. Estes mapas buscam determinar as regiões de ruído proeminente, uma das técnicas empregada para este propósito é o beamforming (conformação de feixe). Ao se estender a aplicação do beamforming para fontes em movimento é possível fazer o mesmo tipo de avaliação e localizar assim as fontes que são geradas em decorrência do movimento, tais como: rolamento e turbulência. O teste de pass-by noise certifica o veículo de acordo com a norma em vigor, no sentido de que sua contribuição no ruído de tráfego não esteja acima de um valorpermitido. A aplicação da técnica de beamforming a este teste então possibilita a observação de quais fontes causam maior contribuição de ruído no plano lateral do veículo. Este trabalho demonstra de forma simples o princípio da técnica, a instrumentação e os procedimentos envolvidos, para que se possa obter uma imagem acústica de um teste de pass-by. PALAVRAS-CHAVE: Imagem acústica, beamforming, pass-by, acústica, array, medição. RESUMEN La evolución de las técnicas de evaluación de ruido hizo posible el perfeccionamiento de los mapas de imagen acústica. Estos mapas buscan determinar las regiones de ruido prominente, una de las técnicas empleadas para este propósito es el beamforming(conformación de haz). Al extender la aplicación del beamforming para fuentes en movimiento es posible hacer el mismo tipo de evaluación y localizar así las fuentes que son generadas como consecuencia del movimiento, tales como: rolamento y turbulencia. La prueba de pass-by noise certifica al vehículo de acuerdo con la norma en vigor, en el sentido de que su contribución en el ruido de tráfico no esté arriba de un valor permitido. La aplicación de la técnica de beamforming a esta prueba entonces posibilita la observación de las fuentes que causan mayor contribución de ruido en el plano lateral del vehículo. Este trabajo demuestra de forma simple el principio de la técnica, la instrumentación y los procedimientos involucrados para que se pueda obtener una imagen acústica de una prueba de pass-by. PALABRAS CLAVE Imagen acústica, beamforming, pass-by, acústica, array, medición. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 51 �Identificación de fuentes de ruido vehiculares.../William D’Andrea Fonseca, Samir N. Y. Gerges , et al. INTRODUCCIÓN La prueba de ruido de paso (pass-by) es una técnica de medición normalizada, la cual es usada para determinar el ruido externo emitido por vehículos. Esta prueba está reglamentada en la mayoría de los países por sus propios órganos legislativos,1 los cuales establecen los procedimientos experimentales para condiciones estáticas y dinámicas,2 así como los niveles de ruido máximos permitidos. Considerando el hecho de que un vehículo puede ser desarrollado en un país y vendido en muchos otros, hay una tendencia a que esas normas sean unificadas, o que sean basadas en una norma común.3 Esta prueba ha obtenido gran relevancia debido a que los órganos reguladores y los consumidores exigen vehículos cada vez más silenciosos y menos contaminantes. Muchas son las fuentes de ruido que determinan el ruido total de un vehículo, tales como: motor, sistema de escape, transmisión, neumáticos, entre otros. No obstante, la prueba de pass-by estandarizada4 no tiene la capacidad de diagnosticar cuáles de esas fuentes influyen más o si están emitiendo un ruido debido a una falla durante la prueba. Luego, para identificar tales fuentes, se vuelve necesaria la utilización de técnicas de visualización de campo acústico. Las técnicas más comunes son: intensidad acústica, que generalmente no se aplica a fuentes móviles por su mayor dificultad de medición; holografía acústica, que generalmente es aplicada para fuentes estáticas por tener una resolución óptima para campo próximo; y la técnica de beamforming, la cual funciona bien para distancias mayores en relación a la fuente, dado que su resolución está íntimamente ligada principalmente a la cantidad de transductores y al tamaño del arreglo (array) de los mismos,5 siendo por lo tanto la técnica más viable para este tipo de prueba. BEAMFORMING Princípio de la técnica El algoritmo en el dominio del tiempo6,7 es la base para la comprensión de la técnica. Inicialmente, para aclarar el procedimiento, se admite que una fuente sonora del tipo monopolo f (r,t) se encuentra en la → posición x´ (figura 1a). Se considera entonces un total de M micrófonos omnidireccionales en un campo 52 → libre localizados en las posiciones x m , m =1,2,. . . , M ; con el origen del centro de coordenadas definida en el centro del array, figura 1.a. Los micrófonos captan las ondas de presión sonora y las muestran espacialmente, la señal obtenida del m-ésimo micrófono es una función del tipo p m (r´m ,t ) = f (r´m ,t ) . En esa implementación de atraso y suma (figura 1.b.) cada micrófono sufre un atraso ∆ m , que adecuadamente escogido selecciona las señales provenientes de la dirección considerada, en cuanto que las de otras direcciones son atenuadas. Cada transductor es ponderado por un factor wm , y así las señales ponderadas y atrasadas son sumadas linealmente generando la función: 1 b(t )= M M ∑w m=1 m p m (t −∆ m ). (1) Esta expresión es normalizada dividiéndose entre M , para que la señal no sea amplificada en función del número de micrófonos (figura 1.b.). (a) (b) Fig. 1.a. Diagrama mostrando una fuente puntual y un array simple en el plano xy; b. Diagrama del beamforming de atraso y suma, en el dominio del tiempo.6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Identificación de fuentes de ruido vehiculares .../William D’Andrea Fonseca, Samir N. Y. Gerges , et al. La descripción completa de la técnica puede ser encontrada en Johnson y Dudgeon7 y en Van Veen y Buckley,8 así como la de los algoritmos avanzados en Dougherty9 y Gerges et al.10 Más detalles sobre la evolución de la técnica también pueden ser consultados en Michael11 y en otras referencias. Beamforming aplicado a fuentes en movimiento En aplicaciones como las de sobrevuelo (fly-over) de aeronaves y las pruebas de pass-by vehiculares, la fuente a ser medida se desplaza considerablemente durante el tiempo de la medición. Uno de los métodos para abordar este problema en el pass-by es crear una malla virtual fija en el plano lateral del vehículo (figura 2), la cual se mueve junto con el objeto en movimiento.12,13 Como las mediciones son hechas desde un punto fijo conocido, el array sufre el efecto de corrimiento en frecuencia, conocido como Efecto Doppler. Los micrófonos reciben los frentes de onda con atraso variable y dependiente de la trayectoria de la fuente. amplitud no expresa el valor real de presión para esta frecuencia. En la figura 4 se tiene el mismo resultado con la desdopplerización efectuada; nótese que la frecuencia y la amplitud fueron corregidas. Fig. 3. Medición sin la desdopplerización. Fig. 4. Medición con la desdopplerización. CONFIGURACIÓN EXPERIMENTAL Y CALIBRACIÓN Fig. 2. Malla virtual lateral al vehículo. Para poder realizar una suma coherente de las señales, el efecto Doppler debe ser corregido. Este proceso es llamado desdopplerización, desarrollado detalladamente por Fonseca6 y Kook et al.,12 el cual también incluye la corrección de amplitud. De este modo es como el arreglo de micrófonos acompañaría la malla virtual a cada posición, o sea, la distancia relativa entre ellos es siempre la misma (figuras 2 y 5.a.). Para entender mejor el efecto de la desdopplerización, se comparan dos resultados de una misma medición y una misma frecuencia. En la figura 3, se tiene el resultado sin la corrección del Efecto Doppler, el resultado es borroso y la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Configuración experimental El sistema de beamforming utilizado fue desarrollado por el equipo de la UFSC. 5,6 Está compuesto por un arreglo de 32 micrófonos dispuestos en espiral, cuyo diámetro máximo es de 1.0 m entre los micrófonos, montado en un armazón metálico (figura 5.a.). Para que las mediciones fueran hechas en las mismas condiciones impuestas para la prueba normalizada de pass-by, se adoptó la misma configuración prevista en ISO1 y ABNT3, colocando el array de micrófonos en la misma posición donde es colocado el micrófono en la prueba normalizada, o sea, a 7.5 m de la línea central de paso del vehiculo, y con su centro a 1.2 m del suelo (figura 6). 53 �Identificación de fuentes de ruido vehiculares.../William D’Andrea Fonseca, Samir N. Y. Gerges , et al. (b) (a) Fig. 5. a. Array de 32 micrófonos desarrollado por la UFSC; b. Equipo de captura de datos utilizado. (a) (b) Fig. 6. a. Detalle de la configuración de medición, se muestra la posicionamiento del array y el ángulo de abertura; b. Esquema de espacio para la medición, con cotas de acuerdo a las normas ISO y ABNT. El ángulo de abertura de este array está en torno a los 67° en las dos orientaciones, xz y yz, (figura 5.a.), esto para la distancia de 7.5 m de la línea central de medición de acuerdo a la norma, lo que determina que el área visible del array es de aproximadamente 10.0 m. Tomándose el centro del array como cero, las mediciones son calculadas de -5.0 m a +5.0 m (figura 6). La captura de la información de los 32 micrófonos fue hecha simultáneamente por un conversor A/D de 24 bits, a una taza de 50 mil muestras por segundo (figura 5.b.). Calibración Calibración de la foto Para la calibración de los datos de la medición acústica y de las fotos del experimento,14 se utilizaron dos procedimientos: uno con cajas acústicas estáticamente posicionadas en la línea de medición; 54 y una situación dinámica, en la que una bocina (componente principal 2.2 kHz; 90 dB) era accionada durante el paso del vehículo a una velocidad aproximadamente constante de 50 km/h. El procedimiento dinámico con la bocina fue escogido para las pruebas pues trae resultados satisfactorios, es más rápido y genera el mismo tipo de recopilación de datos que la medición de pass-by. La figura 7.a. muestra la posición de la bocina dentro del vehículo, y la figura 7.b. muestra la imagen acústica obtenida, la cual corresponde a la posición física de la fuente, demostrando así, el alineamiento correcto del sistema. Calibración de los micrófonos La calibración de cada uno de los 32 micrófonos fue hecha previamente a la medición, posibilitando así resultados absolutos de la presión sonora, consultar Fonseca.6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Identificación de fuentes de ruido vehiculares .../William D’Andrea Fonseca, Samir N. Y. Gerges , et al. (b) (a) Fig. 7. a. Posición en que la bocina fue accionada; b. Procesamiento de la señal de referencia de 6.30 kHz, La escala dinámica coloreada (ver versión en Internet de la revista) en dB relativa. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para los pruebas realizados en pista, la condición de temperatura medida fue alrededor de 30 °C. Tres condiciones fueron probadas: velocidad constante a 50 km/h; velocidad constante a 70 km/h; y la condición establecida por la norma ISO 362.3 Prueba a Velocidad constante de 50km/h En esta prueba el vehículo atravesó toda la pista a una velocidad constante de aproximadamente 50 km/h (ver figuras 8 y 9). Para esta velocidad la amplitud de presión sonora a 1 kHz, procesada en banda de 1/12 de octava, fue de 53 dB. A frecuencias más bajas la dispersión del lóbulo principal del procesamiento del beamforming es mayor debido a las limitaciones del array (gran longitud de la onda), así, la localización exacta de las fuentes se vuelve más difícil; en las figuras 8, 10 y 12 es posible percibir ese efecto. La escala dinámica (coloreado) muestra un beamforming Fig. 8. Ruido de paso a 50 km/h; 1,50 kHz Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Fig. 9. Ruído de paso a 50 km/h; 2.50 kHz. siempre pequeño (de cero a -8 o -9 dB), lo que es una desventaja de este método. Prueba a Velocidad constante de 70km/h En esta prueba el vehículo atravesó toda la pista con velocidad constante de aproximadamente 70 km/h (ver Figuras 10 y 11). Para esta velocidad la amplitud de presión sonora a 1 kHz, procesada en banda de 1/12 de octava, fue de 53dB. En el caso de la figura 9 se percibe que el ruido de tracción de la rueda delantera combinado al de la masa de la rueda está por lo menos a 7 dB arriba de otras posibles fuentes, mientras que en la figura 11 se percibe que posiblemente la parte central del sistema de escape tiene la misma intensidad de energía que el ruido emitido por el motor en esa banda de frecuencia. Prueba en la condición establecida por la norma ISO En esta prueba se procuró atender las exigencias de la norma internacional ISO 362. 3 La norma 55 �Identificación de fuentes de ruido vehiculares.../William D’Andrea Fonseca, Samir N. Y. Gerges , et al. Fig. 10. Ruido de paso a 70 km/h; 1.50 kHz. Como se comentó anteriormente, a frecuencias más bajas, como en la figura 12, la posición de la fuente no es clara. Para reducir este problema, una primera acción sería disminuir el rango de la escala dinámica, para así localizar mejor la fuente. Otras opciones (manteniendo la distancia de medición) serían: utilizar un algoritmo de beamforming diferente, eliminar fuentes, utilizar procesamiento en subespacios, entre otras. El procedimiento ISO contempla estimar un tipo de “el peor caso” al forzar el motor en el momento en que el vehículo pasa por la región de medición. De este modo, en la mayoría de los casos los valores absolutos de presión sonora de la prueba ISO son superiores a los valores de las pruebas de velocidad constante. Aun así, puede haber casos en que los valores absolutos tienen el mismo nivel. Es importante saber que estos valores en dB son completamente dependientes del ancho de banda que se utiliza. En los resultados presentados en este trabajo el ancho utilizado fue de 1/12 de octava, no obstante, anchos diferentes llevarán a valores y mapas sonoros diferentes.15 Fig. 11. Ruido de paso a 70 km/h; 2.00 kHz. brasileña NBR 151451 sigue la ISO, y hace exigencias semejantes. Como es especificado en las normas, la prueba debe seguir el siguiente procedimiento: el vehículo se aproxima a la línea AA (figura 6) a 50 km/h y con trayectoria de su línea central lo más próximo de la línea CC. Cuando el frente del vehículo alcanza la línea AA, el acelerador debe ser accionado totalmente y tan rápido como sea posible, y manteniéndo completamente accionado hasta que la parte trasera del vehículo alcance la línea BB, momento en que el acelerador debe ser liberado. Como es explicado en el punto anterior, el área visible del array es de 5.0 m para cada lado a partir de la línea central PP (figura 6). En las telemetrías de este tipo de prueba se verificó que en este intervalo de 10.0 m la velocidad del carro varía de 2 km/h a 3 km/h con respecto a la velocidad de 50 km/h, luego, para el procesamiento de los resultados fue considerado un paso a velocidad constante de 51.5 km/h (figuras 12 a 15). Para esta velocidad, la amplitud de presión sonora a 1 kHz, procesada en banda de 1/12 de octava fue de 53 dB. 56 Fig. 12. Ruido de paso a 51.5 km/h; 1.05 kHz. Fig. 13. Ruido de paso a 51.5km/h; 1.50 kHz. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Identificación de fuentes de ruido vehiculares .../William D’Andrea Fonseca, Samir N. Y. Gerges , et al. Fig. 14. Ruido de paso a 51.5 km/h; 1.89 kHz. Fig. 15. Ruido de paso a 51.5 km/h; 2.64 kHz. Con el análisis de diversas mediciones de pass-by y diversos modelos de carros,6 se puede notar que las diferencias en el patrón de radiación sonora de vehículos distintos son dependientes de su construcción o clase, teniendo en cuenta que los caminos de transmisión pueden ser completamente diferentes. Sin embargo, se notó que de forma general las fuentes prominentes en todos los vehículos estuvieron concentradas en los siguientes elementos: motor, sistema de transmisión, sistema de escape, neumáticos y masa de la rueda. Como se dijo, el ancho de banda determinará el mapa. Al utilizar bandas más anchas, como de 1 octava o 1/3 de octava, se observó en algunos vehículos que hay una tendencia en los mapas de generar imágenes con predominancia del ruido de los rodamientos de las ruedas. Incluso, como es mostrado en algunas figuras, no es posible la separación entre algunos elementos debido a su características de proximidad o interacción mutua de las fuentes. En la figura 13, por ejemplo, hay Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 “una fuente” cercana a la rueda delantera. Esta fuente es, posiblemente, una combinación entre: interacción de tracción de neumático y suelo; masa de la rueda delantera y radiación de ruido de motor hacia el suelo. En esa misma figura se observa que además de esa fuente principal existe “otra fuente” distribuida, que en esa frecuencia, podría ser el sistema de escape y/o el sistema de transmisión. Para una mejor interpretación de los resultados de la técnica, el conocimiento del vehículo en detalle se hace necesario, en el sentido de posibilitar el conocimiento previo de las características de cada componente y en base a las imagenes proveidas por el beamforming poder desarrollar soluciones para mitigar el ruido. CONCLUSIONES La técnica de beamforming es adecuada para la medición de fuentes en movimiento, obteniéndose así resultados visuales que ayudan a elucidar las posibles fuentes sonoras responsables de la mayor contribución en el ruido total de paso del vehículo. La estructura de medición debe ser cuidadosamente preparada para que problemas o fallas como condiciones naturales desfavorables, micrófonos averiados, o altos niveles de ruido de fondo, no interfieran en los resultados finales y permitan obtener una escala dinámica de medición confiable. Un punto que no fue probado, pero que podría ser discutido, junto a las entidades reguladoras, para futura reglamentación, sería la prueba para velocidades de vehículos mayores, ya que existen comunidades instaladas en los alrededores de vías rápidas y autopistas, la cual posibilitaría estimar el ruido producido en el vehículo por la interacción aire-estructura. El posprocesamiento se debe restringir de acuerdo a los límites de medición del array, para que no haya resultados erróneos o “imágenes fantasmas”. El Efecto Doppler debe ser corregido para el intervalo correcto del evento, de modo que no inserte errores de corrimientos de frecuencia y amplitud. 57 �Identificación de fuentes de ruido vehiculares.../William D’Andrea Fonseca, Samir N. Y. Gerges , et al. AGRADECIMENTOS Los autores desean agradecer al CNPq por el apoyo financiero y a los bolsistas y técnicos por la valiosa ayuda con las mediciones. REFERENCIAS 1. Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT. NBR 15145:2004: Acústica – Medição do ruído emitido por veículos rodoviários automotores em aceleração – Método de Engenharia, Brasil, Nov. 2004. 2. Resolução CONAMA nº 272 de 14 de setembro de 2000, Brasil, Jan. 2001. 3. International Organization for Standardization. ISO 362-1:2007: Measurement of noise emitted by accelerating road vehicles - Engineering method, Jun. 2007. 4. 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B Centro de Innovación Aplicada en Tecnologías Competitivas (CIATEC). aracely.hernandezrm@uanl.edu.mx A RESUMEN En el presente estudio, se llevó a cabo la generación de especies fuertemente oxidantes: los radicales hidroxilo (HO•) y el ion ferrato [FeO42-] para la descomposición del ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D), un herbicida recalcitrante. La degradación del 2,4-D se realizó por fotocatálisis heterogénea, oxidación anódica y por generación electroquímica del ion ferrato. Los resultados indican que la descomposición del 2,4-D durante el proceso fotocatalítico, depende del catalizador a utilizar y de las condiciones del proceso. Mientras que por el proceso electroquímico, la degradación del herbicida sucede debido a la acción conjunta del radical hidroóxilo y del ion ferrato electrogenerados in situ. PALABRAS CLAVE: Ferrato, fotocatálisis heterogénea, DDB, ácido 2,4-D. Artículo basado en el proyecto “Degradación de un herbicida en medio acuoso mediante la generación in situ de especies oxidantes”, el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2012, en la categoría de Ingeniería y Tecnología, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 12 de septiembre de 2012. ABSTRACT In the present study, the decomposition of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D), a recalcitrant herbicide, was carried out by different processes that involve the generation of strongly oxidizing species: hydroxyl radical (HO•) and ferrate ion [FeO42-]. The degradation was performed by heterogeneous photocatalysis, anodic oxidation and the electrogeneration of ferrate ion. The results showed that the decomposition of 2,4-D during the photocatalytic process depends on the catalyst to be used and the process conditions. While on the electrochemical process, degradation of the herbicide occurs due to the action of the hydroxyl radical and electrogenerated ferrate in situ. KEYWORDS Ferrate, heterogeneus photocatalysis, BDD, 2,4-D. INTRODUCCIÓN A fin de reducir el impacto que algunos contaminantes orgánicos provocan en el medio ambiente, se han desarrollado una serie de tratamientos oxidativos, entre ellos, los Procesos Avanzados de Oxidación (PAOs), los cuales se basan en la formación de especies altamente oxidantes, principalmente el radical hidroxilo (HO•), el cual posee un elevado poder oxidante (Eº = 2.8 V vs. ENH).1-2 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 59 �Generación in situ de especies oxidantes para la remoción .../ Minerva Villanueva Rodríguez, et al. Una de las tecnologías pertenecientes a los PAOs es la Fotocatálisis heterogénea, la cual consiste básicamente en la activación de un semiconductor con fotones de la región ultravioleta o visible.3 Cuando la radiación aplicada al semiconductor es de energía igual o mayor a la banda de energía prohibida (Eg), un electrón de la banda de valencia es promovido a la banda de conducción, formando así el par electrón-hueco. Los huecos formados oxidan a las especies que se encuentren presentes en el medio y oxidan también al agua, produciendo así los radicales •OH. Por otra parte, la eficiencia de la fotocatálisis heterogénea en la degradación de un contaminante depende del catalizador utilizado, de las condiciones de reacción,4,5 y de la fuente de radiación,6,7 entre otras. La oxidación anódica es otro tratamiento perteneciente a los PAOs y se basa en la generación de radicales HO• formados durante la oxidación del agua. Uno de los principales problemas observados en este proceso, es la disminución de la actividad causada por la evolución de O2 y la formación de películas sobre la superficie del electrodo. Una alternativa para evitar estos inconvenientes, es el uso de electrodos de Diamante Dopado con Boro (DDB).8,9 Además de los radicales hidroxilo HO•, otra especie fuertemente oxidante es el ion ferrato (FeO42-), el cual posee un potencial de reducción de 0.7 V vs. ENH en medio alcalino y 2.2 V vs. ENH en medio ácido, un valor mayor que el de otros desinfectantes comunes como O3 o H2O210,11.El tratamiento con ferrato no genera subproductos peligrosos como sucede con tratamientos como la cloración.10 Una de las aplicaciones más comunes del ferrato (K2FeO4) es en el tratamiento de aguas residuales como agente oxidante, coagulante y desinfectante. Sin embargo, se ha observado que las soluciones de las sales de ferrato presentan elevada inestabilidad;12 además que la síntesis resulta costosa.13,14 De aquí que la tendencia actual en el tratamiento con ferrato es la generación in-situ de esta especie oxidante para la eliminación de contaminantes.15 Estudios realizados para generar in-situ el ion ferrato, han determinado que es posible generarlo electroquímicamente usando electrodos de hierro de sacrificio en condiciones alcalinas16 y a partir de Fe2+ en medio ácido utilizando un electrodo de DDB,17 60 aunque existen pocos estudios sobre su aplicación en la degradación de contaminantes. Por otra parte, se han observado mejores resultados en el tratamiento de contaminantes con ferrato conforme disminuye el valor de pH, lo que puede ser explicado por el elevado potencial de reducción del ferrato en medio ácido y la reactividad de sus especies protonadas. 18,19,20 En el presente trabajo se aplicaron métodos oxidativos pertenecientes a los PAOs (fotocatálisis heterogénea y electro-oxidación) y se compararon con la electrogeneración in situ del ion ferrato con electrodo de DDB usando como modelo contaminante el ácido 2,4-Diclorofenoxiacético (2,4-D), uno de los herbicidas ampliamente utilizado para el control de hierbas.21 El 2,4-D es considerado como un contaminante recalcitrante y puede causar problemas de salud tanto en seres humanos como en otros organismos debido a su toxicidad y posible efecto carcinogénico.22 MATERIALES Y MÉTODOS Para la degradación del 2,4-D, por fotocatálisis heterogénea, se llevó a cabo la síntesis de catalizadores TiO2 y TiO2-Fe2O3 al 0.5 y 1.0% por la técnica sol-gel a pH 3. Los productos obtenidos fueron caracterizados por espectrofotometría UV-Vis (Cary Scan) con reflectancia difusa y difracción de rayos X (difractómetro Siemens D500). En la degradación con ferrato electrogenerado, se realizó la caracterización electroquímica del ferrato con estudios de Voltamperometría Cíclica (VC) usando un Potenciostato/Galvanostato BASEpsilon y Microscopía Electroquímica de Barrido (MEQB) en modo de retroalimentación en modo sustrato generador-tip colector (SG-TC) en un microscopio electroquímico modelo CHI910B; ambos estudios sobre electrodos de DDB (Adamant Technologies) con disoluciones de Fe2+ y Fe 3+ como precursores de ferrato en HClO4. El ferrato generado a potencial constante (2.5V) se cuantificó espectrofotométricamente a λ= 415nm por la técnica ABTS 2,2’azino bis (3,etilbenzotiazolina6-sulfonato) de diamonio.23 Degradación fotocatalítica.- Una solución de 250 mL del 2,4-D de 50 mg L-1 (pH 3.5) con 0.6 g L-1 de catalizador en suspensión fueron irradiados con una lámpara que emite radiación de λ=365 nm. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Generación in situ de especies oxidantes para la remoción .../ Minerva Villanueva Rodríguez, et al. También se realizaron pruebas de adsorción con los catalizadores sin irradiar con luz y pruebas de fotólisis sin adicionar el catalizador. Degradación electroquímica.- Se llevaron a cabo degradaciones de una solución de 2,4-D de 50 mg L-1 usando un electrodo de DDB como ánodo y un alambre de platino como cátodo en una celda no dividida. Los resultados se compararon con oxidación anódica. La actividad oxidante del ion ferrato también se evaluó empleando diferentes concentraciones iniciales de Fe2+ (0.5, 1 y 3 mM) y de Fe3+ como precursores. Estas degradaciones se realizaron a potencial constante (2.5 V) y a corriente constante (10 mA cm-2). El seguimiento de la degradación del 2,4-D fue evaluada por cromatografía de líquidos de alta resolución (CLAR) en fase reversa con detector UV-Vis (Perkin Elmer) a 285 nm; mientras que el grado de mineralización se llevó a cabo por la determinación del carbono orgánico total (COT) en un analizador COT Shimadzu. El principal compuesto de degradación (2,4-diclorofenol), se identificó bajo las mismas condiciones de análisis que el 2,4-D, mientras que la formación de compuestos más simples como los ácidos orgánicos se evaluó por cromatografía con una columna de exclusión iónica. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caracterización de Catalizadores. De acuerdo con los resultados de DRX, se obtuvo la fase cristalina anatasa del TiO2, mientras que los espectros de absorción UV-Vis muestran un desplazamiento en la banda de absorción hacia la región visible en el catalizador modificado con Fe2O3. En la tabla 1 se muestran los valores de Eg calculados a partir de los espectros de absorción UV-Vis de los sólidos. Caracterización electroquímica del ion ferrato.En los estudios de VC realizados (figura 1), se Fig.1 Voltamperometría Cíclica de FeSO4 6 mM en HClO4 0.1 M sobre un electrodo de DDB a diferentes velocidades de barrido: (a) sin FeSO4, (b) 10 mV s-1, (c) 50 mV s-1, (d) 100 mV s-1, (e) 250 mV s-1 y (f) 500 mV s-1.En el inserto: perfil del electrodo en HClO4 0.1M . observaron dos picos anódicos uno a 1.0 V y el otro entre 2.3 y 2.5V vs. Ag/AgCl, los cuales se asignan a la oxidación del Fe (II) a Fe (III) y Fe (VI) respectivamente. También se apreció una señal catódica a 0.2 V vs. Ag/AgCl que se asignó a la reducción a Fe (II). El estudio por MEQB indicó que el ion férrico inhibe la producción del ferrato. Respecto a la cuantificación de ferrato éste se electrogeneró a partir de FeSO4 0.5 mM el cual se transforma en Fe(III) y Fe(VI) como se observa en la figura 2. Tabla1. Valores de Eg de diferentes catalizadores. Catalizador TiO2Degussa-25 TiO2 Sol-Gel TiO2-Fe2O3 0.5% Valor Eg (eV) 2.95 2.92 2.44 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Fig. 2 Cuantificación espectrofotométrica del (▪) Fe (II), (•) Fe (III) y (▲) Fe (VI) y (*) la suma de éstos, a partir de FeSO4 0.5 mM en H2SO4 0.05 M, sobre una placa de DDB cuando se aplica un potencial de 2.5 V vs. Ag/AgCl. 61 �Generación in situ de especies oxidantes para la remoción .../ Minerva Villanueva Rodríguez, et al. Fotocatálisis Heterogénea.- De acuerdo con los resultados de la degradación fotocatalítica del 2,4-D, mostrados en la figura 3, se aprecia que la adsorción del 2,4-D con los catalizadores y la fotólisis por sí sola, prácticamente no disminuyen la concentración del herbicida. En esta misma figura, se observa que los dos catalizadores presentan una actividad semejante en cuanto al porcentaje de degradación del contaminante (96%), sin embargo, con el TiO2 se logra este porcentaje de descomposición en menor tiempo (240 min). Fig. 4 Remoción del carbono orgánico total en la degradación fotocatalítica de 2,4-D con los diferentes catalizadores sintetizados Fig. 3 Degradación fotocatalítica de una solución 50 mg L-1de 2,4-D, 0.6 g L-1 de catalizador, radiación 365 nm de 800 µW cm-2. Respecto a la remoción de carbono orgánico total (COT) durante el proceso fotocatalítico, se observan mayor porcentaje de remoción (60%) con el semiconductor TiO2 en comparación con el óxido modificado (figura 4). Este comportamiento se debe a la diferencia en las propiedades del catalizador mixto por la presencia del hierro que propicia otro número y tipo de sitios activos, los cuales a las condiciones a las que se lleva a cabo la reacción (tipo de radiación, pH de la solución, y cantidad de catalizador) no son favorecidos. Sin embargo, hay que señalar que de acuerdo a la caracterización UV-Vis con reflectancia difusa, el catalizador modificado posee una Eg menor (2.44 eV), lo cual le da la posibilidad que bajo otras condiciones de radiación, como la solar, pueda presentar mejor actividad. Durante el seguimiento de la reacción de degradación de 2,4-D por CLAR se observó un intermediario de la degradación, el cual se identificó 62 como: 2,4-Diclorofenol (2,4-DCF), uno de los compuestos más reportados en la degradación del 2,4-D en tratamientos fotocatalíticos4 y en otras tecnologías11,12. La formación del 2,4-DCF durante el proceso fotocatalítico, comienza a evolucionar hasta una concentración máxima en aproximadamente 4 horas y después disminuye gradualmente. La concentración más alta de 2,4-DCF se obtiene con el catalizador sin dopar. Otros intermediarios formados en la degradación fotocatalítica de 2,4-D fueron identificados como es el caso del ácido fórmico que se identificó en el cromatograma a un tiempo de retención de 14.07 min . Degradación electroquímica.- Se aplicó un potencial de celda de 2.5 V, el cual además de oxidar a la molécula de 2,4-D evita la polimerización sobre el ánodo, favorece la formación de radicales hidroxilo y genera al mismo tiempo al ion ferrato en el medio de reacción. La figura 5 muestra la cinética de degradación del 2,4-D cuando se genera el ferrato y se compara contra la oxidación anódica, apreciándose que la formación del ferrato mejora la degradación del herbicida. Por otro lado, se observa que a medida que aumenta la concentración de la sal ferrosa añadida, disminuye la velocidad de eliminación del 2,4-D y esto puede deberse a que un exceso de iones ferroso actúan como secuestrantes de los radicales HO• y además provocan una mayor concentración de Fe3+ en disolución lo que conlleva a inhibir la formación del ión ferrato. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Generación in situ de especies oxidantes para la remoción .../ Minerva Villanueva Rodríguez, et al. Tabla 2. Parámetros cinéticos de la eliminación del 2,4-D por fotocatálisis heterogénea, electro-oxidación y electrogeneración de ferrato. Experimento % Degradación (4 h) k (min-1) t1/2 (min) TiO2 TiO2-Fe2O3 0.5 % 89.37 64.16 1.22 x 10-2 4.47 x 10-3 56 155 Oxidación anódica b [Fe2+] 0.5 mM b [Fe2+] 1.0 mM b [Fe2+] 3.0 mM 70.32 93.12 78.15 72.58 4.67 8.66 6.25 4.80 148 80 110 144 x x x x 10-3 10-3 10-3 10-3 Concentración de la sal ferrosa como precursor del ion ferrato b Figura 5. Cinética de degradación de una solución de 2,4-D 50 mg L-1 con ferrato electrogenerado a partir de una sal ferrosa y aplicando un potencial de 2.5 V. (*) sin hierro (oxidación anódica), (▪) Fe2+ 0.5 mM, (•) Fe2+ 1.0 mM y (▲) Fe2+ 3.0 mM. La remoción de COT mostró un comportamiento similar entre las diferentes condiciones de reacción y se logró remover aproximadamente un 30%. El compuesto 2,4-DCF fue también uno de los principales intermediarios identificados y la velocidad de formación del 2,4-DCF fue mayor cuando se genera el ion ferrato; y se observó que conforme avanza la reacción de descomposición aproximadamente a los 150 minutos, la concentración de 2,4-DCF disminuyó notablemente. Se identificaron además algunos ácidos orgánicos de cadena corta por cromatografía de líquidos de exclusión iónica, tales como: ácido maleico (tr = 8.2 min), málico (tr = 9.4 min), acético (tr = 14.9 min), oxálico (tr = 6.9 min) y fórmico (tr = 13.6 min) donde se observaron diferencias en la evolución de estos ácidos cuando se forma el ion ferrato en comparación a la oxidación anódica, lo que indica que el poder oxidante del ferrato propicia una ruta de degradación mas eficiente. También se observó que el proceso de electrogeneración de ferrato se ajusta a una cinética de pseudo-primer orden, como en el caso de la oxidación anódica y el proceso fotocatalítico del 2,4-D5. En la tabla 2 se muestran los parámetros cinéticos de la degradación del 2,4-D por estos tres procesos, calculadas de acuerdo al modelo Langmiur-Hinshelwood. De acuerdo con estos datos, se aprecia que la oxidación del 2,4-D se vio mas favorecida con el proceso fotocatalítico usando Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 TiO2 como catalizador, seguida de la degradación del herbicida con la generación de ion ferrato a partir de Fe2+ 0.5 mM. Sin embargo, es importante resaltar que la acción de los radicales HO● en combinación con el ferrato logra romper la molécula del 2,4-D en una mayor cantidad de intermediarios de cadena corta, tales como los ácidos orgánicos de bajo peso molecular, lo que da como resultado una solución acuosa con compuestos menos tóxicos. Otra serie de experimentos se llevaron a cabo para comparar la influencia del Fe2+ y Fe3+ como precursores del ferrato en la degradación de 2,4-D. Los resultados se muestran en la figura 6, donde se observa un efecto inhibitorio en la degradación cuando el precursor del ferrato es el Figura 6. Descenso de la concentración normalizada de 2,4-D 50 mg L-1. A potencial constante (2.5 V) añadiendo (▪) Fe2+ 0.5 mM y (□) Fe3+ 0.5 mM. A corriente constante (10 mA cm-2) añadiendo (▲) Fe2+ 0.5 mM y (Δ) Fe3+ 0.5 mM. 63 �Generación in situ de especies oxidantes para la remoción .../ Minerva Villanueva Rodríguez, et al. ion férrico, esto puede ser explicado también por los resultados obtenidos por MEQB, en el que de acuerdo a este estudio, la presencia de mayores concentraciones de Fe 3+ inhibe el proceso de electrogeneración del ferrato. CONCLUSIONES Los resultados obtenidos indicaron que la descomposición del 2,4-D por la acción de los radicales hidroxilo generados en el proceso fotocatalítico depende del catalizador a utilizar y de las condiciones del proceso. Mientras que por el proceso electroquímico, la degradación del herbicida se debe a la acción del radical hidroxilo y del ion ferrato electrogenerados in situ. De aquí que estos procesos son viables como metodologías alternas para tratamiento de aguas contaminadas con herbicidas. De acuerdo a los intermediarios formados por la destrucción de la molécula durante el proceso de degradación del herbicida, se encontró que la descomposición del compuesto orgánico sigue una ruta diferente según el proceso oxidativo aplicado; de aquí que, dependiendo de la finalidad del tratamiento, puede optarse por un tratamiento u otro en términos de costo, el grado de remoción de compuestos orgánicos y de toxicidad del efluente, según las características que se deseen en el agua tratada. REFERENCIAS 1. R. Andreozzi, V. Caprio, A. Insola and R. Marotta. Advanced oxidation processes (AOP) for water purification and recovery. Catalysis Today (1999) 53 pp. 51. 2. M. Pera-Titus, V. García-Molina, M. A. 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Water Research (2005) 39 pp. 1946–1953 65 �Bionanocompósitos de carragenina κ con nanopartículas metálicas José de Jesús Infante Rivera, Victoria Campos Tapia, Carlos Alberto Guerrero Salazar, Selene Sepúlveda Guzmán FIME Universidad Autónoma de Nuevo León CIIDIT Universidad Autónoma de Nuevo León. selene.sepulvedagz@uanl.edu.mx RESUMEN En este trabajo se reporta la preparación de nanocompósitos a base de biopoliméricos de Carragenina tipo κ con nanopartículas metálicas de plata y oro. La síntesis de las nanopartículas se llevó a cabo in situ en presencia de Carragenina κ, seguida del secado de la dispersión coloidal por liofilización para la obtención de los nanocompósitos. La morfología de los nanocompósitos y de las nanopartículas fue analizada por microscopía electrónica de barrido (MEB) y microscopía electrónica de transmisión (MET). Las propiedades ópticas se evaluaron mediante espectroscopía de UV-vis mientras que la caracterización estructural se llevó a cabo mediante espectroscopía de infrarrojo. Las propiedades térmicas se estudiaron mediante calorimetría diferencial de barrido (CDB). Los resultados muestran nanocompósitos con propiedades ópticas similares a las NP metálicas y con propiedades térmicas mejoradas. Estos nanocompósitos presentan potenciales aplicación como soporte biodegradable. PALABRAS CLAVE: Nanopartículas metalicas, biopolímero, estabilización electrostatica ABSTRACT The preparation of nanocomposites with biopolymer Carrageenan type κ and metallic nanoparticles of silver and gold is shown in this work. The preparation of nanocomposites was carried out by the in situ synthesis of metal nanoparticles in Carrageenan κ aqueous solution followed by drying of colloidal solution through freez-drying. The morphology of nanoparticles and nanocomposites was characterized by scanning electron microscopy (SEM) and Transmission electron microscopy (TEM). Optical properties were analyzed by UV-vis spectroscopy, and the structural characterization with infrared spectroscopy. Thermal properties were studied with differential scanning calorimetric (DSC). The results showed nanocomposites with similar optical properties that those observed in metallic nanoparticles, and with improved thermal properties. These nanocomposites have a potencial application as biodegradable substrate. KEY WORDS: Metal nanoparticles, biopolymer, electrostatic stabilization 66 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Bionanocompositos de carragenina κ con nanoparticulas metalicas / José de J. Infante-Rivera, et al. INTRODUCCIÓN En los últimos años, la comunidad científica e industrial ha mostrado un interés en los materiales biopoliméricos y ha habido un incremento en trabajos de investigación enfocados tanto en métodos de preparación, caracterización y en las potenciales aplicaciones de biomateriales. Una de las aplicaciones principales de los biopolímeros es en la formación de hidrogeles los cuales son estructuras tridimensionales formadas de materiales orgánicos que pueden contener gran cantidad de agua. La figura 1 muestra el mecanismo de formación de un hidrogel a base de un biopolímero. El polvo polimérico al entrar en contacto con el agua se hidrata y se presenta una interacción de tipo puente de hidrógeno entre las moléculas. Estas interacciones pueden ser de corto o largo alcance en función de la concentración, si la concentración va desde moléculas hidratadas individualmente a baja concentración se presentan los microgeles como en los espesantes. Cuando la concentración de las moléculas que forman interacciones de puente de hidrógeno es alta, forman estructuras tridimensionales de largo alcance conocidas como macrogeles (gelificantes).1 Los hidrogeles tienen propiedades interesantes tales como la hidrofilidad, alta afinidad a materiales biológicos, transparencia, etc.2 Dada la estructura altamente porosa de los hidrogeles se ha estudiado como soporte en donde se puede atrapar dentro de la estructura tridimensional diversos materiales orgánicos e inorgánicos. Entre las aplicaciones más importantes se encuentra la liberación controlada de medicamentos en el área médica la cual se logra aprovechando la respuesta del polímero a cambios externos. 3 La Carragenina es un polisacárido sulfatado, soluble en agua, extraído de las diferentes especies de algas marinas rojas. Existen tres clases de Carragenina, el tipo ι (Iota) se caracteriza por que puede formar geles elásticos. El tipo λ (Lambda) tiene una alta solubilidad en agua y no gelifican pero funcionan como agente espesante. El tipo κ (kappa) es una Carragenina que en presencia de agua forma geles mecánicamente estables.4 La Carragenina κ tiene una estructura primaria basada en una repetición de disacáridos de α(1-3)-D-galactosa y β(1-4)-3,6anhidro-D-galactosa y contiene un grupo sulfato por unidad de disacárido en el carbono 2 de la unidad de 1,3 vinculado a la galactosa (figura 2). Fig. 2 Estructura de la Carragenina a) tipo κ, b) tipo κ, c) tipo κ.4 Fig. 1 Proceso de formación de un gel. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 El proceso de gelación del Carragenina κ es termosensible, consiste en la formación de dobles conformaciones helicoidales seguida por la agregación de las hélices. A altas temperaturas en solución se obtiene una conformación tipo espiral desordenada con una disminución en la temperatura, la estructura espiral se convierte en una estructura de doble hélice, que posteriormente se agregan para formar zonas de una unión de gel4 (figura 3). 67 �Bionanocompositos de carragenina κ con nanoparticulas metalicas / José de J. Infante-Rivera, et al. Fig. 3 Esquema del mecanismo de formación de gel del Carragenina κ en medios acuosos (adaptada de la referencia 4 La Carragenina κ es un importante agente gelificante en la industria de alimentos, así como en aplicaciones en la industria farmacéutica y en el sector de biotecnología.5 Recientemente se ha reportado el uso de la Carragenina κ en el control de la morfología de nanopartículas de óxidos de hierro magnéticos, como magnetita (Fe3O 4 ) y hematita (γ-Fe2O3). Esto dio lugar a la obtención de materiales con potenciales aplicaciones en procesos de bioseparación, termoterapia de cáncer y como agentes de contraste en la resonancia magnética de imagen (MRI).6 Posteriormente se demostró que la Carragenina κ puede actuar como un eficiente estabilizador para impedir la precipitación de hierro e hidróxidos hasta valores de pH muy alto. Estos resultados sirvieron para la investigación de otro trabajo en la aplicación de la síntesis y estabilización de partículas de óxido de cobalto y níquel.7 Las nanopartículas (NP) de metales nobles tales como el oro y la plata, exhiben unas excelentes propiedades físicas, químicas y biológicas que son intrínsecas a su tamaño nanométrico. El fenómeno de resonancia de plasmón superficial para las partículas de oro y plata ocurre dentro de la región visible del espectro electromagnético y ha generado un gran interés para un amplio rango de aplicaciones ópticas. Las nanopartículas de oro presentan una baja toxicidad y elevada biocompatibilidad. Destacan especialmente sus propiedades fototérmicas, generan calor al ser estimuladas en presencia de luz láser actuando como nano-calefactores.8 Las nanopartículas de plata por otro lado, presentan propiedades funcionales únicas, las cuales conducen a aplicaciones variadas en las áreas de catálisis, sensores ópticos y bactericidas. Investigaciones recientes en medicina demuestran que las nanopartículas de plata son altamente efectivas como agentes antimicrobiales, y antivirales.9 68 En este trabajo se propone el uso de la Carragenina κ para la preparación de nanocompósitos biopoliméricos con nanopartículas metálicas. Los nanocompósitos biopoliméricos de Carragenina κ con nanopartículas metálicas serán caracterizados por técnicas espectroscópicas y se llevará a cabo la caracterización estructural. Estos materiales tienen un alto potencial de aplicación en áreas como la biomedicina y la biotecnología. MATERIALES Y MÉTODOS Materiales Los materiales empleados para la preparación de los nanocompósitos biopoliméricos fueron la Carragenina tipo κ grado comercial, el borohidruro de sodio (NaBH4) con una pureza de ≥ 98%, el ácido tetracloroaurico (HAuCl4.3H2O), nitrato de plata (AgNO3), ambos con una pureza de ≥ 99%. Todos los reactivos fueron provistos por la compañía SigmaAldrich y se utilizaron tal y como se entregaron. También se utilizó agua deionizada (DI) con una resistencia de 18 MΩ y nitrógeno líquido. Nanocompósitos biopoliméricos de Carragenina tipo κ con nanopartículas metálicas. En un experimento típico 70 mg Carragenina κ se disolvieron en 6 ml de agua desionizada. Cuando la solución estuvo completamente transparente se adicionaron 0.5 mL de la solución precursora de HAuCl4.3H2O o AgNO3 al 8.2 µM. La mezcla se agitó en un vortex por 5 min y posteriormente se agregó 1 ml de la solución de NaBH4 de concentración 51.5µM. Siguiendo el mismo procedimiento se prepararon varias dispersiones de Carragenina κ una con la solución precursora de AgNO3, otra con la solución precursora de HAuCl4.3H2O y una solución de Carragenina κ sin la precipitación de nanopartículas. Las soluciones se vaciaron en contenedores y fueron sometidas a enfriamiento en nitrógeno líquido por 15 minutos para inducir el ordenamiento de las moléculas del biopolímero y después fueron liofilizados por 24 horas. Los nanocompósitos fueron desmoldados y se llevó a cabo su caracterización. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Bionanocompositos de carragenina κ con nanoparticulas metalicas / José de J. Infante-Rivera, et al. CARACTERIZACIÓN La caracterización se efectuó mediante espectroscopía de UV-vis utilizando un espectrofotómetro UV-vis marca PerkinElmer modelo Lamda 35. Las mediciones fueron hechas en absorción y el análisis se llevó a cabo utlizando una celda de cuarzo para las dispersiones acuosas, mientras que las muestras secas fueron analizadas mediante reflectancia difusa utilizando una esfera de integración modelo RSA-PE-20. El análisis por espectroscopía de infrarojo (FTIR) se realizó con un espectrofotómetro de infrarrojo Nicolet 6700 FT-IR. Las muestras fueron analizadas en modo de transmitancia utilizando pastillas de KBr. Los espectros fueron adquiridos realizando 32 escaneos a una resolución de 4 cm-1. La caracterización morfológica se llevó a cabo mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) en un equipo FEI Nova NanoSEM 200 de emisión de campo. Las muestras fueron observadas utilizando un detector de bajo vacío a un voltaje de aceleración de 5 KV y a una distancia de trabajo de 5 mm. Las muestras fueron analizadas mediante microscopía electrónica de transmisión (MET) con el equipo FEI modelo TITAN G2 80-300. Una gota de las dispersiones se depositó sobre una película de carbón en una rejilla de cobre. Las muestras fueron analizadas en campo claro a un voltaje de aceleración de 300 KV. Los nanocompósitos biopoliméricos fueron analizados mediante calorimetría diferencial de barrido (CDB) en un equipo Diamond DSC Perkin Elmer. Los termogramas se obtuvieron en un intervalo de temperatura de 10 a 300 °C a una velocidad de calentamiento de 10°C/min, bajo atmosfera de nitrógeno. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las dispersiones coloidales obtenidas después de la precipitación in situ de nanopartículas metálicas de Ag y Au se presentan en la figura 4a recuadro superior. Se observa que presentan un cambio en coloración debido a la presencia de las nanopartículas. La dispersión del compósito de Carragenina-Ag tomó una coloración amarillo oscuro, mientras que la dispersión de los compósitos de Carragenina-Au la solución tomó una coloración azul obscuro (ver en versión en Internet de Ingenierías). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Fig. 4. a) Espectro de UV-vis de las soluciones coloidales de Carragenina κ b) Imágenes de MET de la Carragenina κ con nanopartículas Ag, inserto: Imagen de alta resolución de NP Ag y c) imagen de MET de la Carragenina κ con nanopartículas Au, inserto imagen de alta resolución de NP Au . 69 �Bionanocompositos de carragenina κ con nanoparticulas metalicas / José de J. Infante-Rivera, et al. Estos cambios en la coloración están asociados a la presencia de partículas metálicas en la escala nanométrica.10 Las dispersiones fueron analizadas mediante espectroscopía de UV-vis y la figura 4a muestra los espectros obtenidos. El espectro de la solución de Carragenina κ -puro no exhibe absorción en la región visible. Mientras que las dispersiones de Carragenina κ con nanopartículas de plata presenta una banda de absorción la región visible en 405 nm, asociada a la resonancia de plasmón de las nanopartículas de Ag. El espectro obtenido de la solución de Carragenina κ -Au presenta también una absorción en la región visible a 520 nm. La relación entre la longitud de onda de absorción y el tamaño de las partículas metálicas ha sido ampliamente estudiada y estos resultados sugieren la presencia de partículas menores a los 50 nm. Sin embargo la poca intensidad de esta absorción hace pensar que se encuentran en poca concentración.11 Las soluciones coloidales de la Carragenina κ con nanopartículas metálicas fueron analizadas mediante microscopía electrónica de transmisión (MET). En la figura 4b se observa la micrografía obtenida de las nanopartículas de plata que presentan un tamaño alrededor de los 10 nm. La morfología es cuasi esférica y se encuentran separadas unas de otras, lo cual indica la estabilización debido al polímero. Las partículas fueron analizadas a alta resolución y la imagen adquirida se muestra en el inserto de la Figura 4b. Se pueden observar líneas de los planos cuya distancia interplanar es de 0.232 nm y corresponden al plano (1,1,1) en una estructura cristalina FCC. En el caso de las dispersiones de la Carragenina κ-Au la micrografía muestra que las nanopartículas están aglomeradas formando una estructura tipo serpiente. A diferencia de las nanopartículas de Ag en donde están bien dispersas en las nanopartículas de Au, la estabilización provista por la Carragenina no es tan eficiente. Sin embargo es posible encontrar nanopartículas aisladas alrededor de los 10 nm (figura 4c). El inserto de la figura 4c muestra una imagen de alta resolución de las nanopartículas de Au. Se puede observar líneas de los planos cuya distancia interplanar es de 0.245 nm asociada al plano (1,1,1) en una estructura cristalina FCC. Las dispersiones de Carragenina κ , Carragenina κ-Ag y Carragenina κ-Au fueron congeladas en nitrógeno líquido y posteriormente secadas mediante 70 liofilización. La Carragenina κ muestra un color blanco opaco. La Carragenina κ con nanopartículas presentaron cambios en la coloración, aquel que contenía nanopartículas de Ag tomo una coloración amarrillo oscuro y el que contenía nanopartículas de Au adquirió un color gris brillante (figura 5a, 5c y 5e). La morfología de los nanocompositos fue analizada mediante microscopia electrónica de barrido (MEB). Fig. 5 Fotografía digitales de: a) Carragenina κ -puro, c) Carragenina κ - Ag, e) Carragenina κ -Au, Micrografias de MEB de: b) Carragenina κ -puro, d) Carragenina κ - Ag y f) Carragenina κ - Au. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Bionanocompositos de carragenina κ con nanoparticulas metalicas / José de J. Infante-Rivera, et al. La figura 5 presenta las imágenes correspondientes y se observa que la Carragenina κ sin nanopartículas tiene una estructura porosa como ensamble de películas de Carragenina orientadas en diferentes direcciones (figura 5b). Este comportamiento se observó también en la estructura de los nanocompósitos secos de Carragenina κ-Ag y Carragenina κ-Au (figura 5d y 5f). Los nanocompósitos obtenidos fueron caracterizados por espectroscopía de infrarrojo y los espectros adquiridos se muestran en la figura 6. Para estudiar el efecto del congelamiento sobre las propiedades ópticas del material se adquirieron espectros de UV-vis de reflectancia difusa de los nanocompósitos. La figura 7a muestra los espectros correspondientes al polímero liofilizado de Carragenina κ-puro y a los nanocompósitos de Carragenina κ-Ag y Carragenina κ-Au. Se puede observar que el espectro de Carragenina κ-puro no muestra absorción en la región visible sin embargo existe una desviación de la línea base del espectro asociado con la dispersión de luz. Por otro lado ambos espectros, el de Carragenina κ-Ag y Carragenina κ-Au, muestran las bandas de absorción asociadas a las nanopartículas de Ag y Au a 436nm y 525 nm respectivamente. Sin embargo, una nueva banda a 592 nm se observa en los dos espectros, esta banda corresponde a la resonancia de plasmón de las nanopartículas aglomeradas.12 Fig. 6 Espectroscopía FT-IR de los nanocompósitos obtenidos. De manera general se observa la presencia de las bandas de absorción característicos del O-H alrededor de los 3000-3500 cm-1, además de las típicas bandas de absorción de la Carragenina κ para las tres muestras, alrededor de 1040-1070 cm-1 para C-O y C-OH, 1225 cm-1 correspondiente al estiramiento asimétrico del S-O, 920 cm-1 para C-O-C atribuible al estiramiento en 3, 6- anhydrogalactosa, se presentó una clara banda a 845-850 cm-1 del estiramiento C-O-S de la α(1-3)-D-galactosa y por último se presentó una banda alrededor de los 805 cm-1 de los anhidrogalactosa-2-sulfato atribuible a trazas de Carragenina tipo ι.6 Adicionalmente para la muestra Carragenina κ-Ag aparece una banda de 928 cm-1 asociada a la vibración del ion nitrato debido posiblemente a residuos del precursor metálico. Estos resultados muestran que la Carragenina κ no sufre cambios en su estructura química debido a reacciones de oxidación. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Fig. 7. a) Espectro de UV-vis de reflectancia difusa de los nanocompósitos obtenidos; b) Termogramas de calorimetría diferencial de barrido de las muestras obtenidas (CDB). 71 �Bionanocompositos de carragenina κ con nanoparticulas metalicas / José de J. Infante-Rivera, et al. La aglomeración de las partículas ocurre durante el congelamiento de la muestra por la formación de la doble hélice de la Carragenina κ que resulta en una disminución de la distancia entre las nanopartículas, lo que favorece la aglomeración. Esto es consistente con el cambio en el color de la dispersión del biopolímero con nanopartículas metálicas en dispersión. Para analizar los cambios estructurales en la formación del hidrogel de Carragenina κ en presencia de las nanopartículas metálicas se llevó a cabo un análisis por calorimetría diferencial de barrido (CDB). La figura 7b muestra los termogramas obtenidos para el Carragenina κ en polvo, la Carragenina κ después de liofilización y de los nanocompósitos de Carragenina κ-Ag y Carragenina κ-Au. Para todos los termogramas se observa un pico exotérmico asociado a la degradación del biopolímero, sin embargo, la temperatura a la que se observa este pico se ve modificado para los distintos materiales. El pico exotérmico en el Carragenina κ polvo (sin procesar) se observa a 220 °C y es muy similar al observado para el de Carragenina κ liofilizado (221 °C).13 En el caso de los termogramas del Carragenina κ con nanopartículas, los picos exotérmicos presentan desplazamientos a mayor temperatura y un ligero incremento en el área con respecto a la Carragenina tipo “κ”. El pico exotérmico para el nanocompósito de Au se presentó a 236 °C mientras que el que contiene nanoaprtículas de Ag a 257 °C. Presumiblemente estos desplazamientos en la temperatura de degradación sugieren que las nanopartículas metálicas tienen una fuerte influencia en el arreglo de las hélices de la Carragenina κ que modifica la estructura haciéndola térmicamente más estable. Estos resultados son consistentes con lo observado en las propiedades ópticas y la caracterización por microscopía electrónica, en donde la Carragenina κ presenta una mayor interacción con las nanopartículas de Ag que actúa como estabilizador controlando su tamaño y las propiedades de absorción. CONCLUSIONES Se prepararon exitosamente bionanocompósitos de Carragenina κ con nanopartículas metálicas mediante la síntesis in situ. La presencia de 72 nanopartículas metálicas de Au y Ag no modificó la estructura química del polímero, sin embargo las propiedades ópticas fueron muy similares a las de las nanopartículas metálicas obteniéndose biomateriales que presentan absorción en la región visible del espectro. La formación de estructuras térmicamente más estables durante la obtención de los nanocompósitos es atribuida a la presencia de nanopartículas metálicas que muestran interacciones con cadenas del biopolímero. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el financiamiento otorgado por CONACYT con el proyecto CB 106365 y también al CIIDIT de la Universidad Autónoma de Nuevo León, especialmente a la coordinación de Materiales Avanzados y al Laboratorio de Microscopía Electrónica. Así mismo Jesús Infante Rivera agradece la beca Santander de Movilidad Nacional Enero-Junio 2011 y Victoria Campos Tapia la beca CONACYT otorgada. REFERENCIAS 1. Thorne, J.; Vine, G.; Snowden, M., Microgel applications and commercial considerations. Colloid & Polymer Science 2011, 289 (5), 625-646. 2. Pavlyuchenko, V.; Ivanchev, S., Composite polymer hydrogels. Polymer Science Series A 2009, 51 (7), 743-760. 3. Das, M., Stimulus-Responsive Microgels: Design, Properties and Applications. Department of Chemistry University of Toronto 2008, thesis. 4. Dumitriu, S., Polymeric Biomaterials. 2002. 5. MacArtain, P.; Jacquier, J. C.; Dawson, K. A., Physical characteristics of calcium induced κcarrageenan networks. Carbohydrate Polymers 2003, 53 (4), 395-400. 6. Daniel-da-Silva, A. L.; Trindade, T.; Goodfellow, B. J.; Costa, B. F. O.; Correia, R. N.; Gil, A. M., In Situ Synthesis of Magnetite Nanoparticles in Carrageenan Gels. Biomacromolecules 2007, 8 (8), 2350-2357. 7. Jones, F.; Cölfen, H.; Antonietti, M., Interaction of κ-Carrageenan with Nickel, Cobalt, and Iron Hydroxides. Biomacromolecules 2000, 1 (4), 556-563. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 �Bionanocompositos de carragenina κ con nanoparticulas metalicas / José de J. Infante-Rivera, et al. 8. Lin, A.; Hirsch, L.; Lee, M. H.; Barton, J.; Halas, N.; West, J.; Drezek, R., Nanoshell-enabled photonics-based imaging and therapy of cancer. Technology in Cancer Research & Treatment 2004, 3 (1). 9. Fernández-Barbero, A.; Suárez, I. J.; SierraMartín, B.; Fernández-Nieves, A.; de las Nieves, F. J.; Marquez, M.; Rubio-Retama, J.; López-Cabarcos, E., Gels and microgels for nanotechnological applications. Advances in Colloid and Interface Science 2009, 147-148, 88-108. 10.Kemp, M. M.; Kumar, A.; Mousa, S.; Park, T.-J.; Ajayan, P.; Kubotera, N.; Mousa, S. A.; Linhardt, R. J., Synthesis of Gold and Silver Nanoparticles Stabilized with Glycosaminoglycans Having Distinctive Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Vol. XV, No. 57 Biological Activities. Biomacromolecules 2009, 10 (3), 589-595. 11. Le Guével, X.; Wang, F. Y.; Stranik, O.; Nooney, R.; Gubala, V.; McDonagh, C.; MacCraith, B. D., Synthesis, Stabilization, and Functionalization of Silver Nanoplates for Biosensor Applications. The Journal of Physical Chemistry C 2009, 113 (37), 16380-16386. 12. Liao, J.; Zhang, Y.; Yu, W.; Xu, L.; Ge, C.; Liu, J.; Gu, N., Linear aggregation of gold nanoparticles in ethanol. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2003, 223 (1-3), 177-183. 13. Nep, E. I.; Conway, B. R., Physicochemical characterization of grewia polysaccharide gum: Effect of drying method. Carbohydrate Polymers 2011, 84 (1), 446-453. 73 �Eventos y reconocimientos I. FALLECE EL ING. JORGE M. URENCIO El pasado 16 de agosto de 2012 falleció el Ing. Jorge Manuel Urencio Ábrego, Maestro Emérito de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica desde 1995. El Ing. Urencio Ábrego cursó parte de su preparatoria en la Escuela Álvaro Obregón para luego iniciar sus estudios de Ingeniero Mecánico Electricista en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad de Nuevo León. Ocupó el cargo de director de la misma de 1967 a 1978. También fue consejero maestro en 1984, miembro de la Junta de Gobierno en el período de 1988 a 1999, siendo su presidente de 1993 a 1999. Su amplio desarrollo profesional incluyó actividades en educación y empresariales. II. PREMIO DE INVESTIGACIÓN UANL En Sesión Solemne de la Universidad Autónoma de Nuevo León celebrada el pasado 12 de septiembre, se hizo entrega del Premio de Investigación UANL 2012. La Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica fue 74 reconocida en el área de Ingeniería y Tecnología con el trabajo “Diseño de suspensiones para producir cintas cerámicas ultradelgadas para capacitores multicapas mediante tape casting”, desarrollado por los doctores Juan Antonio Aguilar Garib, Román Jabir Nava Quintero, Martín Edgar Reyes Melo, Sophie Guillemet-Fritsch, y Bernard Durand. Esta investigación se realizó en el marco del Programa de Cooperación del Posgrado (PCP) México-Francia, en el que participan la Universidad Autónoma de Nuevo León, la Universidad de Toulouse III (Paul Sabatier) junto con las empresas Kemet de México y Marion Technologies en Francia. De izquierda a derecha, doctores Román Jabir Nava Quintero, Juan Antonio Aguilar Garib, Sophie GuillemetFritsch y Martín Edgar Reyes Melo. III. PREMIO A LA MEJOR TESIS DE LICENCIATURA Y DE MAESTRÍA El pasado 20 de septiembre se llevó a cabo la ceremonia de premiación de la mejor tesis de licenciatura y de maestría presentadas durante 2011 en la UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año. XV, No. 57 �Eventos y reconocimientos Los trabajos premiados en el área de Ingeniería y Tecnología fueron desarrollados por alumnos de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. La tesis de licenciatura premiada se titula “Modelado y simulación de la articulación de rodilla humana a seis grados de libertad” y fue realizada por el Ing. José Daniel Elizondo Moreno, asesorado por la Dra Griselda Quiróz Campeán. La tesis de maestría se titula “Películas delgadas de Cu(In, Al)Se2 (CIAS) por métodos no tóxicos para aplicación en celdas solares” y fue desarrollada por el M.C. Raúl Ernesto Ornelas Acosta, asesorado por la Dra. Bindu Krishnan. El Dr. José Talamantes Silva, agradeciendo a la UANL, a nombre de los homenajeados, por reconocer el esfuerzo de los egresados de dicha institución. De izquierda a derecha: Dra. Bindu Krishnan, M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL, M.C. Raúl Ernesto Ornelas Acosta, Dra. Griselda Quiroz Campeán e Ing. José Daniel Elizondo Moreno.. IV. RECONOCEN A EGRESADOS EXITOSOS La UANL distinguió a 48 de sus egresados con el Reconocimiento a la Excelencia en el Desarrollo Profesional 2012 por su trayectoria en el servicio público, la iniciativa privada, el medio académico, la innovación e investigación, así como en la producción artística y la difusión cultural. Tal reconocimiento se otorgó en una ceremonia celebrada el 20 de septiembre de 2012 en el Aula Magna del Colegio Civil Centro Cultural Universitario, presidida por el Rector, Dr. Jesús Ancer Rodríguez. Entre los egresados distinguidos se encuentra el Dr. José Talamantes Silva, egresado de la FIME y actual Gerente de Investigación y Desarrollo de Nemak. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 V. RECONOCIMIENTO NORTHERN CHAMPION El pasado 22 de julio de 2012, la Maestra Elena Rodríguez Falcón, egresada de la FIME-UANL y miembro activo de la Universidad de Sheffield, en el Reino Unido, recibió el reconocimiento Northern Champion por parte del IPPR North, Instituto de Investigación para la Mejora Pública del Reino Unido. La Maestra Rodríguez Falcón es parte del Consejo Consultivo Internacional de la UANL y pertenece al Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Sheffield. Fue uno de los dos académicos que recibió este reconocimiento por sus métodos pioneros de enseñanza, que animan a los estudiantes de esa universidad a solucionar problemas cotidianos. La Maestra Elena Rodríguez Falcón acompañada del Director de la FIME-UANL, el M.C. Esteban Báez Villarreal. 75 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Junio - Agosto 2012 Mario Alberto Camacho Becerra, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por materias), 1 de junio de 2012. Idalia Marlen León Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por materias), 1 de junio de 2012. Mario Alberto Saucedo Espinosa, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Métodos estadísticos y de aprendizaje automático para estimación en sistemas complejos”. 1 de junio de 2012. María Karina Moreno Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior (Examen por materias), 8 de junio de 2012. Juan Carlos Vallejo Ponce, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad (Examen por materias), 11 de junio de 2012. Ángel Tadeo Pérez Ugalde, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones (Examen por materias), 12 de junio de 2012. Mary Carmen Acosta Cervantes, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Estudios de metamodelos en optimización vía simulación”, 13 de junio de 2012. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. 76 Miguel Lorenzo Morales Marroquín, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Optimización de la producción en máquinas en paralelo de inyección de plástico”. 13 de junio de 2012. Christian Jorge Antonio Pérez Pérez, Maestría en Ingeniería con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Mecatrónica (Examen por materias), 15 de junio de 2012. Fátima Blasita Guzmán Coronado, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura (Examen por materias), 18 de junio de 2012. Beatriz Adriana Rivera Aguilar, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Un esquema integrado para la administración de recursos de contención de incendios forestales desde un enfoque estocástico”, 22 de junio de 2012. Nelly Monserrat Hernández González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Modelación de un problema de localización e inventario para una cadena de suministro”, 22 de junio de 2012. Karlo Mario Mendoza Mendoza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Programación genética para la generación automática de prototipos de clasificación”, 25 de junio de 2012. José Alejandro Cid Medina, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Caracterización de la maduración ósea en niños en edades entre 9 y 16 años mediantes conjuntos aproximados y conjuntos difusos”, 26 de junio de 2012. Paulina Alejandra Ávila Torres, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Un enfoque integrado multicriterio para la planificación de las frecuencias de paso y las tablas de tiempo de una empresa de transporte urbano”, 26 de junio de 2012. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año. XV, No. 57 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Esequiel Luna Rivera, Maestría en Ingeniería con orientación en Ingeniería Eléctrica (Examen por materias), 27 de junio de 2012. Tatiana Quintero Quintero, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Algoritmo Híbrido basado en un método de aproximaciones sucesivas para el problema de ruteo de vehículos heterogéneo”, 27 de junio de 2012. Carlos Beltrán Pérez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Un problema de gestión forestal con requerimientos de adyacencia en unidades forestales”, 28 de junio de 2012. Víctor Hugo Martínez Reza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Simulación de una línea de espera con tasa de llegada de pendiente del estado del sistema”, 29 de junio de 2012. Rafael Torres Escobar, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Clasificación de consenso derivado de clasificaciones multicriterio”, 29 de junio de 2012. Luis Enrique Sanabria Vázquez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Un modelo de Planeación de la Producción para una Planta empacadora de cárnicos”, 2 de julio de 2012. Luis Miguel Ruíz Martínez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones (Examen por materias), 4 de julio de 2012. Silvia Catalina Guzmán González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por materias), 16 de julio de 2012. José Antonio Martínez de la Paz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad (Examen por materias), 17 de julio de 2012. Francisco Mares Vargas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Estudio del proceso de vitrificación de un cuerpo cerámico tradicional”, 18 de julio de 2012. Carlos Alberto Castillo Salazar, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Sistemas Eléctricos de Potencia, “Coordinación de relevadores de sobrecorriente mediante algoritmos de optimización, utilizando curvas de tiempo no convencionales”, 27 de julio de 2012. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 Diana Guadalupe Salas Requenes, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Estudio de un problema de distribución de productos alimenticios permitiendo particionar las entregas”, 30 de julio de 2012. José Alberto Robledo Segovia, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por materias), 30 de julio de 2012. Claudia Alejandrina Martínez Marín, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad (Examen por materias), 30 de julio de 2012. Max Eduardo Cantú Cervantes, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura (Examen por materias), 31 de julio de 2012. Yolanda Valenzuela Cordero, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura (Examen por materias), 31 de julio de 2012. Juan Pineda Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Orientación en Control Automático, “Diseños de algoritmos de control para filtros de potencia activos utilizando técnicas de control lineal”, 3 de agosto de 2012. Luis Fernando Sánchez Gómez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Orientación en Control Automático, “Estimación fasorial subcíclica y lineal cuadrática”, 6 de agosto de 2012. Arturo Pacheco Hermosillo, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura (Examen por materias), 7 de agosto de 2012. Fernando Henry Moreno, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones (Examen por materias), 17 de agosto de 2012. Jorge Alberto Vallejo Tamez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por materias), 17 de agosto de 2012. Melissa Galván González, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica (Examen por materias), 30 de agosto de 2012. Orlando Eliud Gutiérrez Guel, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por materias), 31 de agosto de 2012. 77 �Acuse de recibo CNRS INTERNATIONAL MAGAZINE TECHNOLOGY REVIEW El Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS) publica trimestralmente una versión internacional, en inglés, basada en su “CNRS le Journal”. El ejemplar de julio de 2012 hace referencia a la ingeniería ecológica, como una de los sectores de mayor crecimiento en Francia. En este número se distingue una nota en que se presenta la posibilidad de producir transistores que se pueden doblar, basados en nanoalambres plásticos, lo que llevaría a que en el futuro una computadora pudiera enrollarse como si fuera una hoja de papel. La revista es de espectro amplio como se puede comprobar de sus reportes sobre investigaciones en volcanes, o las arqueológicas, en las que reportan haber encontrado un asentamiento agrícola en Chipre de 11,000 años de antigüedad. Esta revista también presenta noticias, entrevistas, análisis de eventos, además de las actividades del centro, como el reciente acuerdo con el Massachussets Institute of Technology (MIT) en Estados Unidos. La revista tiene el registro ISSN 1778-1442 y puede ser consultada en Internet en www.cnrs.fr (JAAG) Esta revista, publicada por el Massachusetts Institute of Technology, la más antigua sobre tecnología en el mundo, fundada en 1988, mantiene el espíritu de dicha institución de estar a la vanguardia en el desarrollo tecnológico y el impacto de éste en la sociedad. Su estilo actual es el de una revista de divulgación, muy dinámica a la lectura, agradable a la vista y que permite mantenerse al día en cuanto a tendencias y realidades científicas y tecnológicas. Technology Review está disponible en varios idiomas incluyendo el español. Como ejemplo en el número 5 del volumen 115, correspondiente a octubre de 2012, se presenta como tema central el de los innovadores menores de 35 años, describiéndose los trabajos de 35 de ellos en diferentes especialidades, por ejemplo: cámaras que permiten que las fotos sean reenfocadas posteriormente a la toma, protección antiespías en dispositivos de comunicación, optimización de motores trabajándolos a presiones extremadamente altas, y esponjas como almacenes de combustible. La página en Internet de esta publicación se encuentra en http://www.technologyreview.com/ . (F.J.E.G.) 78 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año. XV, No. 57 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Ingeniero Mecánico y Maestro en Metalurgia por el Instituto Tecnológico de Saltillo. Doctorado en Ingeniería de Materiales por la UANL (1991). Premio de Investigación UANL en 1991, 2001, 2003 y 2012. Premio TECNOS en el 2000. Es Profesor Investigador de la FIME-UANL, miembro del SNI nivel I y de la Academia Mexicana de Ciencias. Campos Tapia, Victoria Ingeniera en Manufactura (2011) por la FIME de la UANL. Actualmente es estudiante de la Maestría en Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales de la FIME-UANL. Cheballah, Chafé Ingeniero en Electrónica de la Universidad Mouloud Mammeri, Algeria. Maestría en Ciencias en Micro y Nano-sistemas de la Universidad de Toulouse, 2009. Estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica (U. Paul Sabatier), desde 2009. Durand, Bernard Ingeniero de la Escuela Superior de Química de Mulhouse, Maestro en Electroquímica de Strasbourg, Doctor Ingeniero en la Universidad Claude Bernard en Lyon (1975) y Doctor de Estado en Ciencias (1979). Es Profesor Emérito de la Universidad de Toulouse III, Paul Sabatier, en Francia. Elizondo Garza, Fernando Javier Ingeniero Mecánico Electricista por la FIME-UANL. Diplomado en Administración de Tecnología en el CINVESTAV del IPN. Maestría en Ingeniería Ambiental por la FIC-UANL. Premio Estatal de Ecología N.L. 2002, Reconocimiento al Mérito Académico ANFEI 2003 y Profesor Emérito de la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 UANL. Actualmente es catedrático y consultor de la FIME. Director de la Revista Ingenierías. Figueroa-Torres, Mayra Zyzlila Ingeniera en Materiales por el Instituto Tecnológico de Morelia. Maestría en Ciencias con especialidad en Ingeniería Metalúrgica por el IPN. Doctorado en Ciencia de Materiales por el Centro de investigación en Materiales Avanzados. Actualmente es profesor investigador de la FIC-UANL. Pertenece al SNI. Obtuvo el Premio de Investigación UANL 2012 en el área de ciencias exactas. Fonseca, William D’Andrea Ingeniero en Eléctrica (2006) y Maestría en el área de acústica y vibraciones (2009) por la Universidad Federal de Santa Catarina, Brasil. Estancias de investigación en el Instituto de Acústica de Aachen (ITA), Alemania y en el Centro Aeroespacial de Holanda (NLR). Actualmente realiza un doctorado en acústica y vibraciones. Gerges, Samir N. Y. Ingeniero Mecánico/Aeronáutico (1964) y Maestría (1970) por la Univeridad del Cairo, Egipto. PhD (1974) por el ISVR de la Southampton University, UK. Postdoctorados en 1974 y 1978 en el ISVR y la Sussex University en el Reino Unido. Profesor desde 1978 en la Universidad Federal de Santa Catarina, Brasil. Autor de libros, fundador de asociaciones profesionales, miembro en multiples asociaciones y comités internacionales. Guerrero Salazar, Carlos Alberto Doctor en Ingeniería Química (1986) por la École Polytechnique de Montreal, Canadá y desde 1991 Profesor de la FIME. Miembro del SNI, nivel II y 79 �Colaboradores de la Academia Mexicana de Ciencias. Galardonado en 4 ocasiones del Premio de Investigación UANL y en 2 ocasiones del Premio Mejor Tesis de Maestría UANL en calidad de asesor. Gómez-Solís, Christian Licenciatura en Química y Maestría en Ciencias Químicas por la Universidad de Guanajuato. Doctorado en Ingeniería y Ciencia de los Materiales (2012) por la UASLP. Estancias de investigación en el Kumoh National Institute of Technology y en la Sun Moon University, Corea del Sur. FCQ-UANL. Ha recibido 15 premios y distinciones. Profesor investigador en la FIC-UANL desde 2006. Es miembro del SNI nivel I, de la Academia Mexicana de Ciencias y de la Red Nacional de Ecomateriales. Laudebat, Lionel Egresado de l’Ecole Normale Supérieur de Cachan. Agregado en Ingeniería Eléctrica (1998) y Doctor en Ingeniería Eléctrica de la Universidad Paul Sabatier, 2003. Profesor asociado (MCF) de la Universidad Champollion de Albi desde 2004. González González, Virgilio Ángel Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la FCQ-UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL. Ha sido investigador en el campo de los polímeros desde 1975. Es miembro del SNI nivel II. Es profesor de tiempo completo de la FIME-UANL desde 1988. Lebey, Thierry Doctor en Ingeniería Eléctrica de la Universidad Paul Sabatier, Francia. Investigador del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, Francia) desde 1990. Director del grupo (GIS) “3DPHI” sobre la integración en electrónica de potencia, con 12 laboratorios miembros en Francia. Guillemet-Fritsch, Sophie Graduada en Física y Ciencias Aplicadas por la Universidad de Haute Alsace, Mulhouse. Maestría en Metalurgia por la Universidad de París IX, Orsay (1994). Doctora en Ciencia de Materiales de la Universidad Paul Sabatier y posdoctorado en la Universidad de Princeton. Es investigadora CNRS en la Universidad Paul Sabatier, Toulouse, Francia. Premio de Investigación UANL 2012. López Walle, Beatriz Cristina Ingeniera Mecánica -opción Mecatrónica- (2003) por la UNAM. Doctora en Microrobótica (2008) en la Université de France-Comté, en Besançon, Francia. Catedrático Investigador de la FIME y el CIIDIT de la UANL. Miembro del SNI nivel I. Hernández Ramírez, Aracely Química Farmacéutica Bióloga por la FCQ-UANL. Maestra en Ciencias por el ITESM y Doctora en Ciencias con orientación cerámicos por la FCQUANL. Es coordinadora del Posgrado en Química Analítica Ambiental de la FCQ-UANL. Perfil Promep, Miembro del SNI nivel I y Miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Infante Rivera, José de Jesús Ingeniero Químico por la FCQ de la UANL (1998). Maestría en Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales de la FIME-UANL (2007). Actualmente es estudiante de Doctorado en la FIME-UANL. Juárez Ramírez, Isaías Licenciado en Química Industrial y Doctorado con Orientación en Ingeniería Cerámica (2004) por la 80 Nava Quintero, Román Jabir Ingeniero Mecánico Electricista (2000) y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2008) por la UANL. Doctorado en cotutela por la UANL y la Universidad Paul Sabatier de Francia (2011). Premio de Investigación UANL 2012. Actualmente labora en el área de investigación y desarrollo de Kemet de México. Peralta Hernández, Juan Manuel Licenciado en Ingeniería Química en el I.T. Toluca. Maestría y Doctorado en Electroquímica en el CIDETEQ. Ha realizado estancias de investigación en la Plataforma Solar de Almería-España y en la Universidad de Barcelona-España. Actualmente es miembro del SNI, Nivel I. Puente Córdova, Jesús Gabino Ingeniero Mecánico Electricista (2010) por la FIMEUANL. Actualmente es estudiante de maestría en el programa de posgrado de la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año. XV, No. 57 �Colaboradores Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Doctorado en Ingeniería de Materiales (2004) en la Universidad Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Ha obtenido el Premio de Investigación UANL en 1999, 2004, 2009, 2011 y 2012. Es catedrático investigador en la FIME y el CIIDIT de la UANL. Es miembro del SNI nivel I. Ruiz Gómez, Miguel Ángel Licenciado en Química Industrial (2004) y M.C. en Ingeniería Ambiental (2009), ambas por la UANL. Ha ganado en 2 ocasiones el Premio de Investigación de la UANL. Villanueva Rodríguez, Minerva Química Farmacéutica Bióloga (2005) y Doctora en Ciencias con orientación de Química Analítica Ambiental (2011) por la FCQ-UANL. En el 2012 inicia un posdoctorado en El Colegio de la Frontera Sur ECOSUR, Tapachula. Premio de Investigación UANL 2011. Es miembro del SNI nivel C. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 Sepúlveda Guzmán, Selene Ingeniera Química por la Universidad Autónoma de Coahuila (1998), Doctorado en Polímeros (2005) por el Centro de Investigación en Química Aplicada. Realizó una estancia posdoctoral en la Universidad de Texas en Austin (2007). Miembro del SNI nivel I. Actualmente Profesor Titular en la FIME-UANL Torres Martínez, Leticia M. Licenciada en Química Industrial por la UANL. Doctora en Química de Materiales Cerámicos Avanzados en la Universidad de Aberdeen, Escocia. Actualmente es Directora Adjunta de Desarrollo Científico en el CONACYT. Miembro del SNI Nivel III. Ha recibido más de 50 premios y distinciones a nivel nacional e internacional. Ha ganado en 17 ocasiones el Premio de Investigación UANL, en las áreas de Ciencias Exactas e Ingeniería y Tecnología. Valdez Nava, Zarel Ingeniero Mecánico Metalúrgico y Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la UANL. Doctorado en Ingeniería en Materiales, otorgado en cotutela, UANL-Université Paul Sabatier. Investigador del Centre National de la Recherche Scientifique (Francia) desde 2008. 81 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes y convocatorias. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Se aceptarán trabajos en inglés solamente de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES En el caso de los trabajos de revisión o divulgación el autor debe demostrar que ha trabajado y publicado en el tema del artículo, debe ofrecer una panorámica clara del campo temático, debe separar las dimensiones del tema y evitar romper la línea de tiempo y considerar la experiencia nacional y local, si la hubiera. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben contener la presentación de resultados de medición acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamentre dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen 82 mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año. XV, No. 57 �http://aplicaciones.its.mx/congreso2012/ Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año XV, No. 57 83 �84 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2012, Año. XV, No. 57 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2012 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 15 Número Número de la revista 57 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2012, Año 15, No 57, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2012 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020820 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Dieléctrico Fotocatálisis solar Materiales multifuncionales Polímero Polivinil butiral Viscoelasticidad https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20779/Ingenierias_2012_Ano_15_No_56_Julio-Septiembre.pdf cbfaade4f5c9f6f00e4a2a1e42f77f8b PDF Text Text �56 Contenido Julio-Septiembre de 2012, Año XV, No. 56 2 Directorio 3 Editorial La ingeniería y la arquitectura ante el reto impostergable de reducir el costo ambiental de las construcciones modernas César Antonio Juárez Alvarado 7 Caracterización numérico-experimental del vórtice adyacente al escalón de un conducto con contracción Oscar A. Morales Contreras, Juan G. Barbosa Saldaña, José A. Jiménez Bernal, Claudia del Carmen Gutiérrez Torres 15 Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey, México: 1890-1950 Javier Rojas Sandoval 27 Hecho a mano Gabriel Zaid 30 Fibras ópticas con inhomogeneidad inducida Norma Patricia Puente Ramírez, Arturo Romero Castañeda, Gustavo Rodríguez Morales, Moisés Hinojosa Rivera 38 El accidente nuclear de Fukushima J. Rubén Morones Ibarra 48 La fábrica de hilados y tejidos “La Leona”, 1874-1976 José Roberto Mendirichaga 57 Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital Taylor-Fourier Demetrio García Almazán, José Antonio De la O Serna, Enrique Martínez Martínez 69 Optimización geométrica de nanoestructuras por el método de algoritmos genéticos Enrique Guevara Chapa, Sergio Mejía Rosales 76 Eventos y reconocimientos 79 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 81 Acuse de recibo 82 Colaboradores 84 Información para colaboradores Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año XV, No. 56 1 �Ingenierías, Año XV, N° 56, julioseptiembre 2012. Fecha de publicación: 15 de julio de 2012. Revista trimestral, editada y publicada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/ N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Apartado Postal 076F, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, CP.66451. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de julio de 2012. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P.66450. Número de reserva de derechos al uso exclusivo del título Ingenierías otorgada por el Instituto Nacional del Derecho de Autor: 04-2011-101411064600-102, de fecha 14 de octubre de 2011. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, de fecha 27 de marzo de 2012, concedido ante la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. ISSN: 14050676. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Ingenierías es una publicación trimestral arbitrada, editada por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionales, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. Las opiniones y contenidos expresados en los artículos son responsabilidad exclusiva de los autores. Prohibida su reproducción total o parcial, en cualquier forma o medio, del contenido editorial de este número sin previa autorización. Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. Versión en extenso en internet: http:// ingenierias.uanl.mx/ Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2012 revistaingenierias@gmail.com 2 DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector: Dr. Jesús Ancer Rodríguez Secretario General: M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico: Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado: Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura: Lic. Rogelio Villarreal E. Director de Publicaciones: Dr. Celso José Garza Acuña FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Director: M.C. Esteban Báez Villarreal Sub-Director de Estudios de Posgrado: Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Académico: M.C. Arnulfo Treviño Cubero REVISTA INGENIERÍAS Director: M.C. Fernando J. Elizondo Garza, FIME-UANL Editor Responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, FIME-UANL Redacción: Lic. Julio César Méndez Cavazos CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Samir Nagi Yousri Gerges, Brasil. UFSC, Florianópolis / Dra. Karen Lozano, USA. UT-Panam / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Óscar L. Chacón Mondragón, FIME-UANL / Dr. Moisés Hinojosa Rivera, FIME-UANL / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FCQ-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL / Dr. Jesús González Hernández, CIMAV COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karisova, FCFM-UANL / Dr. Azael Martínez De la Cruz, FIME-UANL / Dr. Enrique López Cuellar, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIMEUANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH GRUPO CENTRAL EDITORIAL Tipografía y formación: Gregoria Torres Garay / Jesús G. Puente Córdova Traductor científico: Lic. José de Jesús Luna Gutiérrez Indización: Dr. César Guerra Torres / L.Q.I. Sergio A. Obregón Alfaro Diseño : M.A. José Luis Martínez Mendoza Fotografía : M.C. Jesús E. Escamilla Isla Webmaster: Ing. Cosme D. Cavazos Martínez / Ing. Dagoberto Salas Zendejo Impresor: René de la Fuente Franco Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año XV, No. 56 �Editorial: La ingeniería y la arquitectura ante el reto impostergable de reducir el costo ambiental de las construcciones modernas César Antonio Juárez Alvarado Estudios de Posgrado e Investigación, Facultad de Ingeniería Civil de la UANL cesar.juarezal@uanl.edu.mx En las últimas décadas, se han hecho cada vez más evidentes los efectos negativos que la actividad humana tiene sobre los sitios que habita. El hombre transforma constantemente el medio ambiente preexistente para adaptarlo a sus necesidades, en buena medida, a través de las diversas construcciones que requiere para conformar su espacio de vida, el cual incluye desde edificios de diversos tamaños y características, infraestructura y servicios especializados, hasta ciudades enteras. Lo que implica una gran responsabilidad por parte de los profesionales que diseñan y materializan dichas obras, ya que su creación, operación y eventual desmantelamiento contribuye enormemente al deterioro ambiental global. En las disciplinas de la ingeniería y la arquitectura, las tareas para generar construcciones con menor impacto ambiental en el medio donde se insertan, se han desarrollado de manera importante, aunque con avances claramente insuficientes. En el caso de nuestro país se requiere mayor atención a esta problemática, específicamente en el estudio y desarrollo de materiales y sistemas de construcción que no provoquen deterioro ambiental. Es importante destacar que el impacto sobre un entorno preexistente no se circunscribe a los ambientes naturales, a los denominados ecosistemas, sino implica también la transformación de espacios construidos por el hombre que le son significativos y por tanto conforman parte fundamental de su identidad. Se requiere tener una visión integral del concepto de “entorno” o “medio ambiente” que incluye los factores naturales, pero también el objeto creado por el hombre, ambos, naturaleza y artificio conforman nuestro patrimonio como sociedad. Es imperativo entonces contribuir con materiales y sistemas de construcción innovadores, con la urgente necesidad de conservar nuestros entornos naturales y los ya construidos, no sólo desde una perspectiva patrimonialista, sino, como un medio para mejorar la calidad de vida de quienes habitamos dichos espacios. Particularmente en México, a pesar de existir normas y recomendaciones para disminuir el impacto ambiental negativo de ciertas obras, y contar con organizaciones que promueven la construcción sustentable, la realidad es que la tecnología constructiva actual disponible y accesible en el mercado es altamente contaminante e incompatible con la preexistencia natural o cultural. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año XV, No. 56 3 �La ingeniería y la arquitectura ante el reto impostergable de reducir el costo ambiental... / César Antonio Juárez Alvarado En contraste, en diferentes partes del mundo la preocupación por disminuir el impacto ambiental que genera el entorno construido se atiende no sólo por diversos grupos de investigadores, sino incluso por centros de investigación especializados en el diseño y aplicación de materiales y sistemas de construcción innovadores, lo que permite construir obras sustentables que no afectan negativamente al medio ambiente en términos de bienestar y salud de los pobladores del planeta. Aunque, en nuestro país existen diversos trabajos realizados en esta materia, muchos de estos esfuerzos se llevan a cabo de manera individual y aislada entre los diferentes grupos de especialistas. Algunos de estos grupos de investigación nacionales que pretenden aportar alternativas viables, han realizado estudios sobre el desarrollo de materiales y sistemas constructivos de bajo impacto ambiental, tales como: aplicación de concretos reforzados con fibras naturales, uso de agregados reciclados, utilización de desechos industriales como la ceniza volante para fabricar materiales de construcción sustentables; el adobe mejorado; consolidación de arquitectura de tierra; entre otros. Es así que resulta inevitable la vinculación nacional entre las distintas especialidades de la Ingeniería y la Arquitectura enfocadas a la construcción, e inclusive, esta vinculación debe ser considerada como una prioridad si se quiere satisfacer la gran demanda de construcciones modernas de bajo impacto ambiental. El problema está latente y se considera indispensable coordinar esfuerzos para sistematizar la información existente, intercambiar experiencias y sobre todo experimentar con materiales y sistemas constructivos alternativos que puedan implementarse en el corto plazo en el ámbito de la edificación de nuestro país. Resulta entonces prioritario, integrar redes de grupos de El patrimonio natural presente y futuro se ve seriamente afectado por la construcción a gran escala de edificaciones urbanas que pretenden satisfacer la necesidad de vivienda de los grandes asentamientos humanos. Foto: Francisco Javier Soria López. 4 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año XV, No. 56 �La ingeniería y la arquitectura ante el reto impostergable de reducir el costo ambiental... / César Antonio Juárez Alvarado investigación con enfoque multidisciplinario, para desarrollar técnicas de construcción alternativas viables y de trascendencia a nivel nacional en la conservación del patrimonio cultural y natural. Estas redes de investigación estarían conformadas por especialistas de México y del extranjero en el tema de la construcción sustentable, que propondrían proyectos científicos de alta calidad buscando el apoyo financiero de los sectores público y privado, con el objetivo de desarrollar materiales y sistemas de construcción compatibles con el medio ambiente y de bajo impacto sobre el espacio de vida de la sociedad. Esta vinculación científica aportaría beneficios tangibles en varios sectores. En primera instancia, al sector productivo industrial al hacer conciencia que, mediante la aplicación de estos materiales y sistemas de construcción alternativos, es posible construir inmuebles y obras en general, técnica y económicamente viables y que disminuyan en forma significativa el impacto sobre los entornos en los que se insertan. De una manera transversal, también se beneficia el sector social, al contribuir con el mejoramiento de la infraestructura e instalaciones culturales y naturales que normalmente utiliza y por lo tanto en su calidad de vida. Por otro lado, se estaría en condiciones de seguir participando en las instituciones educativas, donde se imparten licenciaturas y posgrados ligados a la construcción y materialización del entorno construido, aportando material y herramientas actualizadas para formar profesionales conscientes de la necesidad de conservar nuestro espacio de vida a través de la ingeniería y la arquitectura. Los resultados del trabajo de estas posibles redes de investigación, aportarían indicadores de impacto ambiental de distintos materiales y Las grandes ciudades representan un claro ejemplo de la incansable voluntad humana para trasformar el entorno que lo rodea, haciéndolo más confortable para su existencia. Sin embargo, el costo ambiental consecuente ha resultado muy alto. Foto: Francisco Javier Soria López. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año XV, No. 56 5 �La ingeniería y la arquitectura ante el reto impostergable de reducir el costo ambiental... / César Antonio Juárez Alvarado sistemas de construcción que servirían tanto a profesionales, como a instituciones reguladoras al elaborar y autorizar, respectivamente, estudios de impacto ambiental. Pero sobre todo, se adecuarían estos indicadores a las condiciones predominantes del país y a su práctica constructiva, evitando con esto el uso indiscriminado de la información proveniente del contexto internacional considerando que su aplicabilidad no resulta siempre adecuada al ámbito nacional. Finalmente, no hay duda de que la incansable actividad humana que durante siglos ha buscado su desarrollo y confort, ha permitido la actual forma de vida para millones de seres humanos, pero también es innegable, que este mismo proceder es el responsable del deterioro significativo que sufre nuestro hábitat natural, ocasionado por la sobreexplotación sin precedente de los recursos naturales, los altos consumos de energía, la emisión de gases nocivos a la atmósfera y la radiación, entre otros. En nuestro ámbito, la preservación del entorno natural y cultural de nuestro país mediante la utilización de sistemas de construcción alternativos, es sin lugar a dudas una de las metas que la sociedad mexicana en su conjunto debe perseguir, y deberá estar apoyada por los grupos de especialistas y organizaciones que trabajando en sinergia propongan soluciones viables para reducir el impacto ambiental de las nuevas construcciones. De lo contrario, estaremos siendo testigos del inminente deterioro progresivo de nuestro hábitat presente y futuro. 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año XV, No. 56 �Caracterización numéricoexperimental del vórtice adyacente al escalón de un conducto con contracción Oscar A. Morales ContrerasA, Juan G. Barbosa SaldañaB, José A. Jiménez BernalB, Claudia del Carmen Gutiérrez TorresB Centro Universitario Internacional de México. Campus Quéretaro Grupo CEDVA, Querétaro, Querétaro B Instituto Politécnico Nacional, México D. F. oamc07@yahoo.com.mx , jbarbosas@ipn.mx , jjimenezb@ipn.mx , cgutierrezt@ipn.mx A Vórtice formado en la costa de Japón despues del tsunami de marzo de 2011. Fuente: Reuter. RESUMEN En este trabajo se presenta el análisis del comportamiento del flujo en un conducto rectangular con escalón. El número de Reynolds es calculado en función de la altura del escalón (Reh=500) para un conducto con relación de aspecto y contracción de 4 y 2 respectivamente. El estudio numérico se realiza con el programa desarrollado en esta investigación denominado FLUSS, bajo la plataforma de Fortran 95, para discretizar las ecuaciones de momento y continuidad se utiliza la técnica de volúmenes finitos, y el algoritmo SIMPLE para ligar el campo de velocidad y la distribución de presiones en el dominio. Para el estudio experimental se utiliza la técnica láser de velocimetría de imágenes de partículas (PIV). Los resultados experimentales y numéricos presentan una diferencia de 6%. PALABRAS CLAVE Simulación numérica, técnica de volúmenes finitos, vórtice helicoidal, técnica de PIV. ABSTRACT This paper presents the fluid flow analysis in a rectangular channel with a forward facing step (FFS). Reynolds number is calculated based on the height step (Reh=500) for a channel with aspect and contraction ratio equal 4 and 2 respectively. The numerical study is performed with the developed program denominated FLUSS, the code is based on the finite volumes technique and the SIMPLE algorithm, in the experimental study is used the laser technique particle image velocimetry (PIV). The experimental and numerical results compared have a difference of 6%. KEYWORDS Numerical simulation, finite volume technique, vortex spiral, PIV technique. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 7 �Caracterización numérico-experimental del vórtice adyacente al escalón de un conducto... / Oscar A. Morales Contreras, et al. INTRODUCCIÓN La separación y recirculación del flujo son fenómenos encontrados en diferentes equipos industriales tales como difusores, válvulas y álabes de turbina. Estos fenómenos generan principalmente caída de presión en los equipos, condición que bajo ciertas circunstancias puede ser no deseada debido a las pérdidas que se originan. Sin embargo, en algunos casos la separación y recirculación son inducidas para mejorar las condiciones de transferencia de calor y masa.1 Un ejemplo clásico donde se puede encontrar la separación y recirculación del flujo se tiene en un conducto rectangular que presenta cambios en su geometría. Estos cambios se obtienen al variar la sección transversal para reducir el área del conducto (FFS), para ampliar el área del mismo (BFS) y si se presentan ambos casos se trata de una cavidad.2 Los dos últimos casos mencionados han sido ampliamente estudiados por los investigadores, mientras que el flujo en conductos con contracción (FFS) ha tomado relevante interés sólo en las últimas décadas, por lo que algunos detalles respecto a los efectos tridimensionales de las estructuras del flujo en este tipo de conductos aún no han sido completamente analizadas. También es importante visualizar que este tipo de problemas son considerados tipo o patrón para validar códigos numéricos.3 Es importante mencionar que los conductos con escalón son de gran importancia en la industria, ya que son ampliamente utilizados en el sector alimenticio, en sistemas de tuberías en reactores químicos y en procesos de elaboración de polímeros.4 Cuando existe un flujo en un conducto rectangular con escalón (FFS) se distinguen dos regiones de separación de flujo que originan dos vórtices: uno previo al escalón y otro en la parte superior del mismo.5 Estos son originados por el cambio brusco en la geometría del conducto. El vórtice está definido por su longitud (r) en la dirección axial, su altura (a) en la dirección vertical y las coordenadas centrales del mismo (x’, y’) como se muestra en la figura 1. Durante los últimos años los estudios que se han realizado para analizar la separación de flujo en conductos rectangulares con escalón consideran conductos que presentan relaciones de aspecto mayores a diez (RA=b/h), esta consideración 8 Fig. 1. Nomenclatura para describir el vórtice. permite reducir el análisis a casos bidimensionales, por lo tanto, no se tiene un análisis completo del comportamiento del vórtice que se forma frente al escalón a lo largo del eje transversal.6 De los primeros estudios que trataron el flujo en un conducto rectangular con escalón se encuentra el de Moss y Backer,7 en sus resultados reportan que la altura del vórtice en el centro del conducto está relacionada con la altura del escalón y tiene un valor de 0.6h a 0.7h, además mencionan que la zona de recirculación es una estructura de flujo tridimensional. Un trabajo reciente que trata el flujo en conducto con escalón es el de Largeau y Morieniere,8 en su investigación experimental utilizaron la técnica de velocimetría de imágenes de partículas (PIV) para estudiar un flujo turbulento y tres relaciones de aspecto. Entre sus resultados más importantes reportan que a medida que disminuye la relación de aspecto se incrementa la longitud del vórtice que se forma frente al escalón, pero la coordenada (y’) no varía. Otro estudio que analiza el problema de separación de flujo en un conducto rectangular con escalón es el de Fiorentini et al. 9 Ellos estudiaron el comportamiento del vórtice utilizando la técnica de PIV cuando un flujo turbulento fluye a través de un conducto con una RA>10. Ellos concluyen que la altura del vórtice que se forma antes del escalón, no varía si se incrementa la velocidad, pero que el vórtice que se forma sobre el escalón aumenta su longitud a medida que se incrementa el número Reynolds. Una investigación más que analiza el comportamiento del flujo en un conducto con escalón es la de Chiang y Sheu.10 Esta simulación numérica fue realizada utilizando la técnica de discretización de volúmenes finitos. Las condiciones geométricas Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Caracterización numérico-experimental del vórtice adyacente al escalón de un conducto... / Oscar A. Morales Contreras, et al. del conducto rectangular analizado fueron RA=24 y relación de contracción (RC=H/h) de 1.33. Chiang y Sheu encontraron que la zona de recirculación adyacente al escalón se comporta como un vórtice que se mueve en forma de espiral a lo largo del eje z. También encontraron que la altura y longitud de la zona de recirculación en el plano central del conducto tienen un valor de 0.33h y 0.63h respectivamente, para Reh=555. Finalmente, uno de los trabajos mas importantes que trata el estudio de la zona de recirculación formada en un conducto con escalón es el de Stüer et al.11 En su investigación trabajaron con flujo laminar (Reh=330) y un escalón de 0.01m de altura para tener condiciones geométricas de RC=4 y RA>10. Utilizan la técnica de visualización de flujo con burbujas de hidrógeno y miden los campos de velocidad con la técnica PTV. Concluyen que el fluido contenido dentro de la zona de recirculación es transportado paralelamente al escalón hacia las paredes laterales para poder continuar su trayectoria, y reportan que la altura del vórtice en el centro del conducto es de 0.75h. METODOLOGÍA NUMÉRICA En esta investigación se realiza un código numérico denominado FLUSS, basado en la técnica de volúmenes finitos para discretizar las ecuaciones para flujo laminar en estado estable definidas en las ecuaciones (1) a la (4). Por medio de la técnica antes mencionada se discretizan las ecuaciones empleando un arreglo de malla dislocada y no uniforme. El acoplamiento de las ecuaciones de momento y continuidad se realiza mediante el algoritmo SIMPLE,12 finalmente las ecuaciones discretizadas son reordenadas en forma de matriz tridiagonal, la cual se resuelve por medio del algoritmo de Thomas.13 El dominio computacional utilizado se muestra en la figura 2, el cual tiene una RA=4 y RC=2, los resultados son parametrizados en función de la altura del escalón (h=0.02m). El número de Reynolds analizado es de 500 y el fluido de trabajo utilizado es aire con condiciones estándar. ∂u ∂v ∂w + + =0 (1) ∂x ∂y ∂z 2 2 2 ⎛ ∂u ∂u ∂u ⎞ ∂p ⎡ ∂ u ∂ u ∂ u ⎤ ρ⎜ u +v +w =− +μ + + (2) ∂ z ⎟⎠ ∂ x ⎢⎣ ∂ x 2 ∂ y 2 ∂ z 2 ⎥⎦ ⎝ ∂x ∂y Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Fig. 2. Dominio computacional. 2 2 2 ⎛ ∂v ∂v ∂v ⎞ ∂p ⎡ ∂ v ∂ v ∂ v ⎤ +v + w =− +μ ⎢ 2 + 2 + 2 ⎥ (3) ⎟ ⎝ ∂x ∂y ∂z ⎠ ∂y ⎣∂x ∂y ∂z ⎦ ρ⎜ u 2 2 2 ⎛ ∂w ∂w ∂w ⎞ ∂p ⎡∂ w ∂ w ∂ w⎤ (4) +v +w =− +μ + + ∂ z ⎟⎠ ∂ z ⎢⎣ ∂ x 2 ∂ y 2 ∂ z 2 ⎥⎦ ⎝ ∂x ∂y ρ⎜ u Donde: u, v y w son las componentes de la velocidad. Las condiciones de frontera impuestas sobre el dominio computacional son: Perfil de velocidad uniforme a la entrada: u = u ; v = 0; w = 0 . Condición de no deslizamiento en las paredes: u =v = w=0 Condición de flujo completamente desarrollado a la salida: ∂φ = 0 Donde: Ø=u, v, w y p. ∂x xsal Se utiliza una malla no uniforme en las 3 direcciones y para determinar el número de elementos a utilizar en el dominio computacional se realiza un estudio de independencia de malla, el valor característico para declarar la independencia es la altura de zona de recirculación en el plano central, los resultados se muestran en la tabla I. Tabla I. Independencia de malla. Malla [x:y:z] Altura (a) A) 210:80:80 0.720h Diferencia a A) − aj ) a A) B) 210:60:80 0.718h 0.3% C) 210:60:60 0.700h 2.8% D) 180:80:80 0.695h 3.5% 9 �Caracterización numérico-experimental del vórtice adyacente al escalón de un conducto... / Oscar A. Morales Contreras, et al. Con los resultados obtenidos de este estudio se decidió trabajar con una malla de 210:60:80 elementos en las direcciones x, y, z, respectivamente, la malla no uniforme utilizada se muestra en la figura 3. Fig. 3. Malla utilizada en dominio computacional. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL El estudio experimental se realiza en el túnel de viento (figura 4) del Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP) del Instituto Politécnico Nacional. Las dimensiones utilizadas son las mismas que las impuestas en el dominio computacional. El túnel de viento consta de una entrada acampanada, la cual permite que el flujo sea uniforme en la sección de entrada, como indica la norma ANSI,14 el túnel tiene sección de entrada de 1.2m para obtener flujo desarrollado en la zona de pruebas, finalmente se tiene una pieza de transformación para conectar el túnel de viento con el ventilador (marca Otto de 5 paletas) y disminuir la perdida de presión en el túnel tal como explica Barlow et al.15 El sistema de velocimetría de imágenes por partículas (PIV) cuenta con una cámara CCD de alta resolución (1600x1186 pix) Kodak Megaplus 1.0, un láser gemelo Nd:YAG de alta energía (400mJ) y el sistema de adquisición de datos FlowManager. Las partículas trazadoras inyectadas son obtenidas con un generador de humo de la marca TEKNOVA®, que utiliza aceite mineral y permite obtener partículas con diámetro promedio de 10μm. Las condiciones del medio ambiente son monitoreadas con el sistema meteorológico Digiquartz®. RESULTADOS Para analizar la zona de recirculación frente al escalón se colocan 6 planos en diferentes posiciones tal como se indica en la tabla II y se muestra en la figura 2. Las tablas III y IV presentan los resultados obtenidos experimental y numéricamente de la caracterización de la zona de recirculación. Tabla II. Planos analizados. Plano Posición I z = 0.125b II z = 0.250b III z = 0.375b IV z = 0.500b A y = 1.0h B y = 0.5h Tabla III. Resultados experimentales. Plano x’/h y’/h I 0.29 0.32 II 0.38 0.31 III 0.41 0.31 IV 0.42 0.30 Tabla IV. Resultados numéricos. Fig. 4. Túnel de viento del LABINTHAP. 10 Plano a/h r/h x’/h y’/h I 0.66 1.53 0.24 0.33 II 0.72 1.65 0.36 0.29 III 0.72 1.90 0.41 0.31 IV 0.72 2.03 0.42 0.32 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Caracterización numérico-experimental del vórtice adyacente al escalón de un conducto... / Oscar A. Morales Contreras, et al. Fig. 5. Campo de velocidades en el plano central obtenido con A) FLUSS y B) PIV. Fig. 6. Resultados experimentales: A) plano I, B) plano II, C) plano III y D) plano IV. En la figura 5A) se muestra el campo de velocidad en el plano central del conducto obtenido mediante el programa FLUSS y en la figura 5B) el obtenido experimentalmente. La diferencia entre los resultados experimentales y numéricos en el plano central es de 6%, mientras que en los resultados obtenidos en el plano cercano a la pared la diferencia es mayor, esto se debe a la cantidad de elementos colocados en la malla para el análisis de esa zona, sin embargo se puede considerar que el programa puede reproducir satisfactoriamente el fenómeno analizado. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Los resultados reportados en la tabla III tienen un valor de incertidumbre de aproximadamente 0.2%, este porcentaje fue calculado con respecto al valor promedio de las mediciones obtenidas de una serie de 90 imágenes.16 Se encontró que la coordenada x’ disminuye su valor a medida que el flujo se aproxima a la pared, mientras que la coordenada y’ lo incrementa. En la figura 6 se observa el vórtice encontrado experimentalmente y en la figura 7 se muestran los resultados numéricos para los diferentes planos analizados en el eje z. 11 �Caracterización numérico-experimental del vórtice adyacente al escalón de un conducto... / Oscar A. Morales Contreras, et al. Fig. 7. Resultados numéricos: A) plano I, B) plano II, C) plano III y D) plano IV. De los resultados puede apreciarse que la forma del vórtice en el plano central es cuasi-circular bien definida, típica de un vórtice simple como lo especifica Freymuth,17 pero cerca de la pared (en el plano I) el vórtice tiene forma alargada y no uniforme, esto se debe al crecimiento de la capa límite en la pared (efectos de la viscosidad). La forma del vórtice no cambia de manera importante en el centro del conducto, comportándose de manera similar en los planos II, III y IV, por lo que gran cantidad de fluido se concentra en el centro del conducto y se desplaza hacia las paredes. En las imágenes también se observa un vórtice secundario, justo antes del vórtice principal, tal y como lo describe Freymuth et al.,17 esta zona de recirculación secundaria se origina por el choque del flujo que intenta salir de la zona de recirculación en la direcciona axial, y el flujo que llega de la sección de entrada. Los resultados indican que existe otra zona de separación en la parte superior del escalón, originada 12 por el cambio en la geometría del conducto aunque de menor intensidad que el vórtice principal, esta zona en algunos libros es descrita como vena contracta, la cual ocasiona caída de presión en el conducto. De los resultados numéricos además se encontró que la longitud (r) en el plano IV es 25% mayor que en el plano I, y la altura (a) en el plano central es 8% mayor que en el plano cercano a la pared. En la figura 8 se muestran los planos A y B indicados en la tabla II, se aprecia el desarrollo de la capa límite en la pared lateral, y como se forma un pequeño vórtice paralelo al plano ‘y-x’ de menor intensidad que el encontrado en el plano ‘x-z’. Finalmente en la figura 9 se muestra como el flujo en la vecindad del escalón se desplaza a lo largo del eje z hacia las paredes laterales, la razón de este particular comportamiento se asocia al efecto de las paredes, es decir, el flujo tiene un mayor momento en la parte central que en la vecindad de las paredes Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Caracterización numérico-experimental del vórtice adyacente al escalón de un conducto... / Oscar A. Morales Contreras, et al. Fig. 9. Vórtice adyacente al escalón a lo largo de eje z. Fig.8. Vista superior de zona de recirculación, planos A y B. debido a la condición de no deslizamiento impuesta en las mismas, de tal forma que cuando el flujo encuentra el escalón, este último actúa como un obstáculo impidiendo el paso del flujo, por lo que el flujo cumple con su naturaleza de conservación de momento y se desplaza hacia las paredes laterales en forma helicoidal. CONCLUSIONES En esta investigación se realizó el estudio numérico experimental del flujo laminar a través de un conducto rectangular con escalón para diferentes relaciones de aspecto y diferentes parámetros de Reynolds para analizar el comportamiento tridimensional de la zona de separación adyacente al escalón. La diferencia entre los resultados numéricos encontrados con el programa desarrollado FLUSS y el estudio experimental presentan una diferencia del 6%, cuando se comparan los resultados en el plano central del conducto. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 La zona de recirculación adyacente al escalón se desplaza del centro del conducto hacia las paredes laterales del mismo como un vórtice helicoidal. Las coordenadas [x’, y’] del centro del vórtice cambian su posición a medida que éste se aproxima a la pared, y mientras que la coordenada x’ disminuye, la coordenada y’ se incrementa. En todos los planos analizados se aprecia la formación de una pequeña zona de recirculación sobre el escalón conocida como vena contracta, pero no puede ser definida completamente. Finalmente durante el estudio de independencia de malla se encontró que la relación entre las dimensiones del volumen de control más pequeño y el volumen de control más grande no debe ser mayor a 10, ya que para valores mayores se tienen problemas de convergencia. REFERENCIAS 1. H. Abu-Mulaweh, B. Armaly and T. Chen, Laminar natural convection flow over a vertical forward-facing step, J. Thermophys. Heat Trans., vol. 10, pp. 517–523, 1996. 2. M. Sherry, D. Lo Jacono, J. Sheridan, R. Mathis and I. Marusic, Flow separation characterization of a forward facing step immersed in a turbulent boundary layer, Sixth International Symposium 13 �Caracterización numérico-experimental del vórtice adyacente al escalón de un conducto... / Oscar A. Morales Contreras, et al. of Turbulence and Shear Flow Phenomena. pp. 1325-1330, 2009. 3. I. Ali, S. Becker, J. Utzmann and C. Munz, Aeroacoustic study of a forward facing step using linearized Euler equations, Physica D., pp. 1-6, 2008. 4. D Wilhelm, C. Härtel and L Kleiser, Computational analysis of the two-dimensionalthree-dimensional transition in forward-facing step flow, J. of Scientific Computing., vol. 17, 2003. 5. T. Ando and T. Shakouchi, Flow characteristics over forward facing step and through abrupt contraction pipe and drag reduction, Res. Rep. Fac. Eng. Mie Univ. vol. 29, pp.1-8, 2004. 6. S. Becker, M. Escobar, C. Hahn, I. Ali, M. Kaltenbacher, B. Basel and M. Grunewald, Experimental and numerical investigation of the flow induced noise from a forward step, 11ª AIAA/CEAS. AIAA 2005-3006, 2005. 7. W. Moss and S. Baker, Recirculating flows associated with two-dimensionnal steps, Aero Q 32. pp. 693-704, 1979. 8. J. Largeau and V. Moriniere, Wall pressure fluctuations and topology in separated flows over a forward facing step, Exp. Fluids. 2007, vol. 42, pp. 21-40. 14 9. E. Fiorentini, R. Camussi, F. Pereira, M. Felli, G. Aloisio and A. Di Marco, Velocity and wall pressure correlations over a forward step flow, Advances in Turbulence XI. 2007. vol. 117. 10. T. Chiang and T. Sheu, Numerical studies of a three-dimensional flow in suddenly contracted channels, Physics of Fluid. 2002. vol. 14, pp. 1601-1616. 11. H. Stüer, A. Gyr and W. Kinzelbach, Laminar separation on a forward-facing step, Eur. J. Mech. B/Fluids. 1999. vol. 18, pp. 675-692. 12. S. V. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Taylor & Fracis, Philadelphia. 1980. 13. J. Tu, G. Heng and C. Liu, Computational Fluid Dynamics a Practical Approach, Ed. Elsevier. First Edition. 2008. 14. American Nacional Standard, Laboratory Methods of Testing Fang for Rating, ANSI/AMCA 210-85, AMCA Standard, ANSI/ASHRAE. 1985. 15. J. Barlow, W. Rae and A. Pope, Low-speed wind tunel testing, Wiley-Interscience Publication, Third Edition. 1999. pp. 80-83. 16. R. Figliola and D. Beasley, Mediciones mecánicas teoría y diseño, Ed. Alfaomega, 3a Edición. México D.F., 2003. 17. P. Freymuth, F. Finaish and W. Bank, Three dimensional vortex patterns in a starting flow, J. Fluids Mech. 1986. vol. 161, pp. 239-248. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey, México: 1890-1950 Javier Rojas Sandoval Universidad Autónoma de Nuevo León RESUMEN El presente artículo expone algunos datos sobre la influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey, entre finales del siglo XIX y mediados del siglo XX. Para darle sostén a la hipótesis de la relación de ambas culturas este articulo reúne la informacion en dos secciones: Líderes industriales regiomontanos formados en instituciones educativas norteamericanas y Presencia de la tecnología industrial norteamericana en las fábricas pioneras de la industria de Monterrey. PALABRAS CLAVES Monterrey, México, cultura industrial, influencia, líderes, norteamericanos, regiomontanos, tecnología. ABSTRACT This article presents some data on the influence of the American industrial culture in the formation of the industrial culture of Monterrey, Mexico, between the end of the nineteenth century and mid-twentieth century To give support to the hypothesis of the relationship of both cultures this article brings together the information into two sections: Monterrey, Mexico, Industrial leaders trained in American educational institutions and The presence of industrial technology in the American factories pioneers of the industry of Monterrey, Mexico. KEYWORDS Monterrey, Mexico, industrial culture, influence, leaders, Americans, technology. Artículo basado en un trabajo presentado en el congreso “Transnational Exchange in the Texas – Mexico Borderlands”. The University of Texas at Austin. April 2005. INTRODUCCIÓN El concepto de culturaA industrial se refiere a la transmisión de procesos de aprendizaje, experiencias, costumbres y tradiciones generados en los medios industriales; relacionados con aspectos tecnológicos, administrativos, laborales y sociales; tecnológicamente la cultura industrial se refiere a invenciones, innovaciones y usos de maquinaria, herramientas y equipos industriales.B En términos comparativos el despegue industrial de los Estados Unidos fue primero que el de Monterrey. Algunos autores informan que entre 1850 y 1900 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 15 �Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey / Javier Rojas Sandoval el número de empresas industriales instaladas en los Estados Unidos se cuadriplicó, pasando de 123 mil a 512,000. El arranque industrial de Monterrey comprende desde 1890 a 1910, periodo en el que se instala el grueso de las plantas industriales pioneras de la industrialización de Monterrey. Un dato adicional que resulta definitorio para cualquier comparación con el arranque industrial de Monterrey, es que los Estados Unidos fueron la cuna donde se produjeron los grandes inventos tecnológicos que habrían de darle el liderazgo a la industria norteamericana, como lo argumentaremos más adelante. Precisamente estos datos nos permiten sustentar la hipótesis de que la influencia de la cultura industrial norteamericana fue decisiva para la formación de la cultura industrial de Monterrey. Puede apuntarse la hipótesis de que la industrialización de Monterrey, tecnológicamente hablando, fue resultado de la expansión industrial de los Estados Unidos y Europa. De los diversos factores que impulsaron el arranque de la industrialización de Monterrey a finales del siglo XIX y principios del XX, la literatura especializada menciona uno que tiene particular relevancia: la proximidad de la frontera con los Estados Unidos de Norteamérica; influencia que no se ha limitado a los capitales de inversión sino también, lo que es más importante, al conocimiento, la educación y la tecnología industrial, como las herramientas, los equipos y maquinaria; así como los procesos de producción. El texto que se presenta contiene datos sobre personajes de la industria formados en instituciones académicas norteamericanas; se menciona el origen de la tecnología de algunas industrias de Monterrey. Los datos han sido recolectados de los siguientes archivos: Archivo Histórico de la Ciudad de Monterrey (AHCM). Archivo General del Estado de Nuevo León (AGENL) y el Archivo Histórico de la Fundidora Monterrey (AHFM). Cervecería Cuauhtémoc, S. A. Camión repartidor de la Cervecería Cuauhtémoc, S. A. 16 L A C U LT U R A I N D U S T R I A L C O M O F O R M A C I Ó N E D U C AT I VA . L Í D E R E S I N D U S T R I A L E S R E G I O M O N TA N O S FORMADOS EN INSTITUCIONES EDUCATIVAS NORTEAMERICANAS Una de las primeras expresiones de la cultura industrial es, sin lugar a dudas, la formación educativa tanto de los trabajadores como de los directivos de las plantas industriales. En Monterrey, desde tiempos muy tempranos, algunos empresarios industriales construyeron escuelas y centros de capacitación para los trabajadores y sus hijos. Tales fueron los casos de la Cervecería Cuauhtémoc, S.A., cuyos directivos pusieron en marcha, el año de 1911, el programa de construcción de escuelas para capacitar a sus trabajadores y empleados. Ello con el propósito de sustituir a los técnicos extranjeros con los que en 1890 había comenzado sus operaciones. El programa educativo se inició con la fundación de la Escuela Politécnica Cuauhtémoc, fundada el año indicado. En ella se impartían clases de educación Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey / Javier Rojas Sandoval Horno Alto No. 1. Fundidora Monterrey, S. A. elemental y politécnica; se enseñaban los oficios de electricidad, refrigeración, sistemas técnicos de fermentación; así como otros conocimientos generales relacionados con la física, la química, el comercio y la agricultura.1,2 Otra fábrica que también tempranamente creó sus propios centros de formación educativa y técnica para su personal fue la Fundidora Monterrey, S.A. En 1911, once años después de que entrara en operaciones, abrió las puertas de la escuela elemental de seis grados para los hijos de sus trabajadores – las Escuelas Acero, que luego cambiaron de nombre por Escuelas Adolfo Prieto –. Posteriormente, en la década de los veinte se inauguró la escuela nocturna con 100 obreros y empleados, donde se les enseñaban matemáticas, lengua nacional, inglés, dibujo y taquígrafa; es decir, cultura general y conocimientos aplicados, de utilidad para el trabajo.3 En este punto es importante destacar el caso de los programas educativos de las escuelas de la Fundidora Monterrey, S.A., en las que se impartía el inglés como segunda lengua, lo que indica que algunos técnicos requerían el conocimiento de dicho idioma para la lectura de los manuales de operación de la maquinaria y el equipo. Para el caso de la influencia de la cultura industrial norteamericana en los directivos de las plantas industriales de Monterrey, se puede mencionar que la Cervecería Cuauhtémoc, S.A., registra la presencia de un personaje de origen norteamericano en la fundación de la empresa cervecera; se trata de Joseph M. Schnaider, de profesión ingeniero, nacido en San Luis Missouri el año de 1858. Heredero de la fábrica de cerveza que llevaba el mismo nombre que la familia Schnaider; la que en sus tiempos de Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Convertidor Bessemer. Fundidora Monterrey, S.A. operación, en el último tercio del siglo XIX, era una de las más importantes establecidas en la Unión Americana.1 La influencia del ingeniero Schnaider fue decisiva en los inicios de la fábrica de cerveza regiomontana; era el experto conocedor de la técnica para elaborar cerveza; por lo cual ocupó el puesto de jefe de producción. Asimismo desempeñó la importante función de vocal en el consejo de administración, durante los primeros años de operación de la planta productora de cerveza. Joseph M. Schnaider [San Luis Missouri 1858 - Baden Alemania, 1922] 17 �Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey / Javier Rojas Sandoval Los inicios y la operación de la Fundidora Monterrey, S.A. no se explica sin considerar los beneficios que recibió de la cultura industrial norteamericana. Uno de los inversionistas que participaron en la constitución de la planta industrial fue Eugenio Kelly, quien era banquero de Nueva York. Asimismo algunos de los ingenieros y técnicos que pusieron en marcha los primeros equipos y la maquinaria de la acerera regiomontana, procedían de los Estados Unidos de Norteamérica. Entre ellos, Oliver P. Thomas, jefe del departamento de laminación. Algunos otros, aunque de origen europeo, habían realizado su experiencia técnica en la patria de Washington, como A. G. Hartestain, que desempeñó el cargo de superintendente general; lo mismo Dot J. Felckel, jefe del alto horno. Todos ellos contribuyeron con sus conocimientos a la formación de los primeros obreros y técnicos regiomontanos quienes tenían poca experiencia en el campo de la industria del acero.4 El cronista de la Fundidora Monterrey, Manuel González Caballero, dejó escrito, refiriéndose al técnico de origen norteamericano Oliver P. Thomas, que se caracterizaba por ser un “norteamericano, muy experto en cuestiones de molinos laminadores y en cilindros, o rodillos, pues su experiencia en estos menesteres había sido adquirida en las grandes plantas productoras de acero de los Estados Unidos”.4 Por lo que se refiere a la formación académica de los directivos de las industrias de Monterrey incluimos una muestra de quince directivos de algunas de las más importantes industrias de Monterrey, que recibieron formación académica en instituciones educativas de los Estados Unidos de Norteamérica. (Tabla I) La tabla proporciona información sobre cuatro indicadores: 1. Nombre del personaje. 2. Fecha de nacimiento del personaje. 3. Participación en la industria de Monterrey. 4. Institución académica de los Estados Unidos de Norteamérica, en la que recibió educación. En cuanto a las fechas de nacimiento, cuatro de los personajes nacieron en el siglo XIX y tres entre ese mismo siglo y la primera década del XX, lo que podría indicar que son industriales de la segunda 18 generación, cuyos nombres se pueden encontrar en los consejos de administración de las plantas que iniciaron el despegue industrial de Monterrey. Un último grupo está integrado por los industriales que nacieron entre 1918 y la Segunda Guerra Mundial. En cuanto a las industrias, se observa que en la lista predominan los industriales de la fábrica de cerveza y las industrias asociadas con la misma, como la fábrica de vidrio y la productora de cartón y la acerera Hojalata y Lámina, S.A. Por lo que se refiere a las instituciones educativas norteamericanas donde realizaron sus estudios académicos y formativos, destaca el Massachussets Institute of Technology y las universidades de Texas, instituciones con programas académicos en ingeniería y administración. The Massachussets Institue of Technology desde los inicios de la segunda parte del siglo XIX ofrecía programas de instrucción especial y profesional para formar especialistas en ingeniería mecánica, química y minas. Además impartía conocimientos sobre maquinaria y metalurgia de hierro y cobre.7 Era la institución más destacada en la difusión de la cultura industrial desde el siglo XIX, y la que, como vimos por los datos, influyó en la formación académica de los hombres que arrancaron la industrialización de Monterrey. Un dato que resulta importante consignar es que los promotores de la iniciativa para fundar en 1943, el Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM), tomaran como modelo el Massachusetts Institute of Technology (MIT). No es casual que el título abreviado de la institución educativa tecnológica regiomontana: Instituto Primera sede del Intituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey / Javier Rojas Sandoval Tabla I. Personajes de la industria regiomontana formados en instituciones de educación norteamericanas. Nombre Fechas de nacimiento Participación en la industria de Monterrey Institución educativa de los Estados Unidos Garza Sada, Camilo. 1910 Hylsa. Entre otras. Western Militry Academy de Alton, IL. Massachussets Institute of Technology. Garza Sada, Andrés. 1902 Varias industrias Phillip Exeter Academy. Exeter. N. Hampshire. Princeton University. Garza Sada, Diego. 1900 Varias industrias. N/D* Garza Sada, Roberto. 1895 Consejero Empaques de Cartón Titán, S.A. Hylsa y otras. Massachussets Institute of Technology. Garza Sada, Eugenio. 1892 Director de Cervecería Cuauhtémoc, S.A. Massachussets Institute of Technology. Garza Lagϋera, Alejandro. 1926 Director general de la Cervecería Cuauhtémoc Chaminade Collage de St. Louis Mo. Garza Lagϋera, Eugenio. 1923 Presidente del Consejo de la Cervecería Cuauhtémoc, S.A. The University of Texas. Garza M, Francisco J. 1941 Director de Fabricación de Máquinas, S.A. Texas A&M University. Sada, Luis G. 1894 Director de la Cervecería Cuauhtémoc. N/D* Sada, Roberto G. 1885 Director de Vidriera Monterrey, entre otras. Western Military Academy. Alton, IL. Ingenieria en Universidad de Michigan. Sada Muguerza, Patricio. 1923 Gerente de producción de Troqueles y Esmaltes, S.A. The University of Texas. Prieto Jacque, Carlos. 1937 Director de la Fundidora Monterrey, S.A. Massachussets Institute of Technology. Sada Zambrano, Andrés M. 1930 Director de Celulosa y Derivados, S.A. Entre otras. Massachussets Institute of Technology. Zambrano Lozano, Roberto. 1918 Gerente de Focos, S.A. The University of Texas. Zambrano, Treviño, Lorenzo. 1944 Gerente de Cementos Mexicanos, S.A. Stanford University. N/D*. Indica que el diccionario biográfico menciona que hizo sus estudios en los Estados Unidos, más no informa de la institución educativa. Referencias: J.R. Vega. Quién es quién en Monterrey. 1976-1977. Ed. Revesa. Monterrey, N.L. 1976.5 e Israel Cavazos. Diccionario biográfico de Nuevo León. UANL. Monterrey, N.L. 1984.6 Tecnológico de Monterrey (ITM), se asemeje a las siglas del IMT norteamericano. Como lo expone el historiador Rodrigo Mendirichaga: …cuando el joven Eugenio Garza Sada estudiaba ingeniería en Boston, en el acreditado Massachusetts Institute of Technology, que era conocido entre sus exalumnos regiomontanos por las siglas en inglés MIT pronunciadas en inglés, había cultivando la idea Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 de una institución educativa superior similar a esa escuela que él apreciaba… 8 Una anotación adicional que podemos hacer en este apartado, para reforzar la hipótesis con la que hemos venido trabajando en este informe, es que algunos textos y manuales para la operación de las máquinas y los equipos industriales, estaban editados por autores y editoriales norteamericanos. 19 �Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey / Javier Rojas Sandoval Tal fue el caso de los textos y manuales para la operación del horno basado en el sistema Bessemer y el conocimiento de la metalurgia del hierro, localizados en la biblioteca de la Fundidora Monterrey, S.A. El primero editado en 1919 y el segundo fechado el año de 1936. Se trata de los siguientes textos: Iron and Steel (A Pocket Enciclopedia) de Huh P. Tiemann, editado por Mc Graw-Hill Book Company.9 El Segundo texto es: Metallurgy of iron and steel de Orin W. McMullan editado por Internacional Textbook Company.10 Una conclusión preliminar sobre este apartado es que existen registros documentales que permiten sostener la hipótesis de que en el campo educativo, fue decisiva la influencia de la cultura industrial de los Estados Unidos de Norteamérica en la formación de la cultura industrial de Monterrey, en los tiempos del arranque industrial. PRESENCIA DE LA TECNOLOGÍA INDUSTRIAL NORTEAMERICANA EN LAS FÁBRICAS PIONERAS DE LA INDUSTRIA DE MONTERREY Desde el punto de vista tecnológico -máquinas, equipo, herramientas y los conocimientos inherentesla industrialización de los Estados Unidos se vio influenciada por los inventos técnicos de origen europeo, británicos y alemanes, principalmente. A la tecnología hay que agregar la inmigración de recursos humanos también de procedencia europea que llegaron al territorio norteamericano desde mediados del siglo XIX. Las fuentes informan que en los últimos 40 años del siglo mencionado, arribaron más de 14 millones de personas, muchos de ellos portadores de conocimientos del arte de fabricar máquinas y herramientas industriales. Andrés M. Sada Zambrano 20 Eugenio Garza Lagüera Un caso ilustrativo de la aportación europea a la industria estadounidense fue el técnico británico Samuel Slater, quien una vez en territorio norteamericano, reprodujo de memoria el esquema de la máquina tejedora de Arkwrighg. Con ello Slater en sociedad con Moses Brown, montó en Pawtucket, Rhode Island, a finales del siglo XVIII, la primera fábrica textil en los Estados Unidos. Después creó otras factorías en Nueva Inglaterra.11 No obstante lo dicho anteriormente, se debe reconocer la originalidad de la inventiva norteamericana, la cual registró un desarrollo muy notable desde el siglo XVIII. Los especialistas informan que a principios del siglo XVIII se habían concedido solamente 276 patentes; luego, en los diez años comprendidos entre 1840 a 1850, la cantidad llegó a los 6, 480 registros. Para el período comprendido entre los años 1890 y 1900, los inventos patentados alcanzaron la cantidad de 234, 956. Una cifra verdaderamente sorprendente en la historia de las patentes.12 Para tener una idea de la importancia de los inventos e innovaciones tecnológicas de origen norteamericano, mencionaremos algunos como los siguientes: Desmontadora de algodón de Whitney (1790); máquina de vapor de alta presión de Evans (1800); hiladora continua de Danforthe hiladora continua de anillos de Thorp (1820); vulcanizado de Goodyear (1841); segadora Mc Cormick, Chicago(1848). Sin dejar de mencionar -por supuesto- la fértil y monumental inventiva de Edison.11 Un dato que es importante anotar es la sólida vinculación entre el desarrollo tecnológico y el progreso industrial norteamericano, lo que resulta evidente al analizar los nombres de los personajes que fundaron y dirigieron las primeras grandes plantas industriales que le dieron prestigio y reconocimiento a la tecnología industrial norteamericana. Ver tabla II. La misma ola de tecnología industrial que nació tanto en Europa como en los Estados Unidos de América, desde el siglo XIX, influyó positivamente sobre la industria de Monterrey. Se puede afirmar que desde la etapa del arranque industrial, Monterrey recibió, al menos, tres influencias culturales en el campo de la tecnología industrial: a) británica, b) alemana y, c) norteamericana. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey / Javier Rojas Sandoval Tabla II. Personajes pioneros del arranque industrial norteamericano. Nombres de industriales Industria Vanderbildt, Jay Gould, James Hill Ferrocarriles Carnegie Acero y metalurgia Rockefeller Petróleo Ford Automóvil Deere. Allis-Chalmers. Holt-Best.(Caterpillar) Tractores e implementos agrícolas Edison, Coffin, Rice. Tesla Energía eléctrica y equipo Claude Fohlen (1976). La America anglosajona. Labor, Barcelona, España.13 www.scripophily.net/alchalcom.html 14 www.cjr.org/tools/owners/ge-timeline.asp 15 http://www.cat.com/cda/layout 16 La primera estuvo presente en la industria textil; la segunda dejó una marcada huella en la industria siderúrgica, cervecera y vidriera; la tercera prácticamente cubrió todos los ambientes industriales, particularmente en los campos de la maquinaria, el equipo, las herramientas y la organización de la producción; y seguramente en el management. Las ideas de Taylor y Ford forman parte fundacional de la cultura industrial de Monterrey. La influencia del conocimiento tecnológico y empresarial norteamericano en la construcción de los cimientos de la cultura industrial regiomontana se hizo presente desde los tiempos de la Guerra Civil de 1861 y 1865. En particular la importación del algodón, cuyo comercio por el noreste mexicano fue canalizado desde los estados de Luisiana, Arkanzas y Texas. Parte de ese producto comenzó a alimentar la Eugenio Garza Sada Lorenzo Zambrano Treviño Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 incipiente industria textil regiomontana. Sostenemos que este comercio del algodón no solo fue un acto comercial, sino también fue un proceso que formó cultura: formó costumbres y tradiciones.17 Los lazos de colaboración entre ambas culturas se reforzaron con el establecimiento de los medios de comunicación, que se instalaron desde 1867 con el sistema de diligencias, permitiendo el intenso intercambio comercial entre San Antonio Texas y Monterrey, gracias a la iniciativa de August Santleben.18 Luego, entre los años de 1881 y 1905, las comunicaciones entre el sur de Estados Unidos y Nuevo León habrían de acrecentar sus relaciones con el tendido de las vías del ferrocarril. El proyecto que intentó unir a Monterrey con Matamoros con Brownsville; posteriormente el primer ferrocarril que vinculó a Laredo, Texas, con Monterrey y la ciudad de México. En la iniciativa para construir el Ferrocarril del Golfo, que unió a Monterrey con Tampico, desempeñó un papel fundamental otro norteamericano de grata memoria para los regiomontanos: el general Joseph A. Robertson, quien trajo inversiones que enriquecieron a la industria de Monterrey con los conocimientos de la cultura industrial norteamericana.19 Otro indicio que muestra los vínculos de la cultura industrial entre Monterrey, Nuevo León y Estados Unidos, es la Feria y Exposición Internacional celebrada el año de 1889 en San Antonio,Texas, a la cual acudieron varios expositores regiomontanos, por lo que obtuvieron premios como reconocimiento a su arte aplicado a la industria. La introducción de los medios de comunicación modernos como el telégrafo, el teléfono y el servicio eléctrico en la industria fueron productos de la influencia de la cultura tecnológica norteamericana. De acuerdo con los trabajos sobre historia industrial del ingeniero Isidro Vizcaya,18 en Monterrey los medios de comunicación modernos se instalaron paralelamente al establecimiento de las primeras industrias. Entre 1870 y 1882 se inauguraron las primeras líneas telegráficas, que comunicaron a Monterrey con la ciudad de México y otras entidades cercanas y lejanas. Los servicios telefónicos se comenzaron a establecer en Monterrey el año de 1882. En 1883 J.J. Ghegan empresario de la 21 �Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey / Javier Rojas Sandoval Carlos Prieto Jacque Compañía Telegráfica y Telefónica del Norte, inició los trabajos de introducción del servicio público telefónico en Monterrey. La compañía telefónica instalada en Monterrey, en 1901, con la razón social Compañía Telefónica Mexicana, daba cuenta en dicho año (Archivo Histórico de Monterrey) que operaba con conductores marca Western Electric Co., Charles Williams y Davis & Wats. Los servicios de energía eléctrica funcionaban en Monterrey desde la década de los ochenta del siglo XIX. Las lámparas de luz de arco se exhibieron en Cleveland, Ohio, en 1876. Ese mismo año Edison produjo las primeras lámparas incandescentes, que salieron al mercado en 1880. En Monterrey, el servicio de electricidad público quedó establecido el año de 1890 mediante contrato entre el Ayuntamiento de Monterrey y la compañía organizada por B.F. Lauré y Gaspar Butcher. La cultura industrial regiomontana del vidrio tiene registrado el nombre de un personaje residente en Toledo, Ohio, Michel J. Owens, (http://www.owens.edu/aboutowens/history. html) 20 , quien inventó una de las primeras máquinas automáticas para soplar vidrio instalada en la antigua Vidriera Monterrey, S.A. el año de 1909. Con dicha máquina se pretendían sustituir las manos, la boca y los pulmones de los obreros en el soplado del vidrio.21 La Fundidora Monterrey, S.A. inició sus operaciones de producir hierro en el Horno Alto No. 1 de la marca William Todd and Company, el cual era de manufactura estadounidense. Muchos de los compresores que utilizaba la fábrica de hierro 22 y acero de Monterrey, eran manufacturados por la legendaria marca Ingersoll-Rand; la cual nació de la fusión de las firmas dirigidas por Simon Ingersoll y Albert Rando, el año de 1905. Ambas compañías tenían patentes para fabricar taladros y compresores industriales.22 Para abundar en la información al final del texto incluimos un cuadro con datos sobre la procedencia de la maquinaria y equipo instalado en las plantas industriales que operaban en Monterrey y lugares cercanos, al iniciarse el siglo XX. (Tabla III). En el cuadro se puede observar la presencia de equipo tecnológico de origen norteamericano, en las primeras plantas industriales de Monterrey. • McIntosh & Seymur Co. McIntosh & Seymour, de New York. Se trata de una planta industrial organizada en 1886 por John E. McIntosh y James A. Seymour. La compañía fabricaba motores estacionarios de vapor de alta velocidad y maquinaria de petróleo para proporcionar energía a las plantas industriales y barcos. En 1901 se fusionó con Ingersoll-Rand para formar ALCO: American Locomotiva Company.24 • Singer. La industria de las confecciones está asociada con el nombre del norteamericano Isaac Merit Singer, quien introdujo desde 1851 la lanzadera circular y el pedal mecánico, que aumentó la velocidad del proceso del tejido; con lo cual la máquina dejó de ser un aparato artesanal para convertirse en la base de la industria de máquinas de coser. Para 1870 la fábrica Singer había producido casi medio millón de máquinas.25 Roberto Garza Sada Luis G.sada Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey / Javier Rojas Sandoval Tabla III. Fábricas industriales de Monterrey. Maquinaria y procedencia. (1901) Razón social y giro Productos y materias primas Maquinaria y marcas Procedencia La Industrial Fábrica de Muebles Muebles. Madera. Encino. Caoba. Fay y Egan Co. American Word Working Machiner & Co. USA Cía. De Aguas Minerales y Gaseosas Topo Chico, S.A. Agua gaseosa. Wittermann & Brothers USA Cía. Luz Eléctrica y Fuerza Motriz de Monterrey Corriente eléctrica para fuerza y alumbrado. Ideal & McIntosh Seymar Co. Spring Field III and Sons. McIntosh Seymour Co. USA Ladrillera Unión Ladrillo de barro. Cía. Industrial de artefactos de metal laminado La Mexicana Sombreros USA F. W. Bliss USA Pathers Singer Bulasky New York, USA El Fénix Compañía Manufacturera de Cerillos USA La Industrial. Mosaicos y piedra artificial Mosaicos. La Patria. Confección de ropa Ropa. El Hércules Almidón. España Singer St. Luis MO. USA USA La Fama Textiles. Platt and Brothers Inglaterra El Porvenir Textiles. Platt and Brothers Inglaterra American Smelting and Refining Co. Plomo y oro. Cortiss Fraser. General Electric Co. Allis Chalmers Co. Colorado Iron N. Co. Stowen ok Co. USA Plata, plomo, oro. Tres máquinas de vapor Cortiss. Motores eléctricos. Ventiladores Roots Cornesite. Fraser y Chalmers de Chicago USA Cerveceria Cuahtémoc, S.A. Cerveza y hielo. Maquinaria movida por vapor. Máquinas para hielo. Machines Works de St. Luis Mo. USA Fábricas Apolo Velas, cerillos y jabones. Compañía de Fundición de Fierro y Manufactura Fabricación de maquinaria para minas, fundiciones, ferrocarriles, molinos para caña. Compañía Fundidora y Afinadora Monterrey, S.A. Fábrica de clavos de alambre Monterrey Fundidora Monterrey,S.A. Producción de hierro y acero. Alemania USA Bodley Co. Lodge and Denis USA Calderas, ingenios. Sistema Cortin. Sistema Bates USA Horno de fundición No. 1. Empresa constructora: William Todd and Co. Fuente: Archivo General del Estado de Nuevo León. (AGENL). Secretaría de Gobierno del Estado de Nuevo León. Exposiciones. Caja No. 5. 1901. Expediente No. 1. Cuaderno No. 3. Expediente referente a la Exposición de San Luis Missouri. Junio 26 de 1902. 23 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 23 �Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey / Javier Rojas Sandoval En Vidriera Monterrey 1937. Al frente Antonio Muguerza, Isaac Garza Sada, Mariano Hernández, Roberto G. Sada, Eduardo G Brittingham, Matías Elizondo y Andrés G, Sada. Atrás: Jesús Gracia, Emilio Gracia, Ricardo Quiroz, Carlos L. González, Juan Lingow y Rodolfo L. García. • Allis Chalmers. Allis Chalmers es una compañía cuyas actividades se remontan a 1840, instalada en Milwauke, donde fabricaba ruedas para molinos de agua. La compañía original era conocida como “Edward P., The Allis & Company”. Fue establecida por E. P. Allis de Nueva York. En 1869 la compañía extendió su cobertura a la energía del vapor. A los años siguientes comenzó a fabricar bombas de vapor. Al parecer la bomba centrífuga más grande en América en 1884 fue producida en las instalaciones de Allis Chalmers.26 • General Electric Co. Tal vez sea la compañía más familiar en los medios industriales de Monterrey desde principios del siglo XX. Se formó en 1892, como resultado de la fusión de las plantas: Compañía General Eléctric de Edison y la Compañía de Thompson-Houston. Al parecer la fusión no fue apoyada totalmente por Thomas A. Edison; quien se retiró de los negocios y prefirió refugiarse en los laboratorios. A pesar de la ausencia de Edison, el personal que estaba al frente de General Electric adoptó las grandes ideas del genial inventor, para lo cual se instaló un laboratorio de investigación permanente en Schenectady, New York, 1900.27 En Monterrey la compañía General Electric era reconocida desde los tiempos del despegue 24 industrial por los múltiples objetos manufacturados por la firma norteamericana, entre ellos los motores eléctricos, las lámparas incandescentes o bombillas para el alumbrado público y las habitaciones particulares. Un dato que es importante registrar en la historia de la compañía y la ciudad de Monterrey, es que “The General Electric Co.”, presentó el mes de junio de 1929, una solicitud para establecer una planta para manufacturar lámparas eléctricas incandescentes, equipada con la maquinaria y la tecnología más moderna de su tiempo. La solicitud fue presentada por L. Emery y E. Irving, ambos representantes de la compañía. Por los datos contenidos en el escrito firmado por los representantes de la General Electric Co., se infiere que la empresa norteamericana tenía un largo tiempo de estar operando en México; para 1929 contabilizaba 35 años de antigüedad; lo que indica que General Electric Co. estaba operando en territorio mexicano desde 1894. En Monterrey los promotores del proyecto industrial se comprometían a realizar una inversión inicial de 600 mil pesos; ocupar empleados mexicanos, en especial mujeres, por las particularidades del tipo de trabajo. Inicialmente la promesa consistía en emplear entre 100 y 125 trabajadores nativos de Monterrey. Un aspecto interesante del proyecto, que muestra la colaboración entre ambas culturas, es que los representantes de la compañía se comprometían a compartir la experiencia norteamericana sobre conocimientos tecnológicos con los trabajadores de Monterrey (Carta de L. Emery y E. Irving: 1929), enviándolos a capacitarse en una de las plantas de la General Electric Co., instaladas en los Estados Unidos, con el objetivo, decían los representantes de la firma: “...de enseñarlos en el arte de manufacturar lámparas eléctricas...”.28 CONCLUSIONES El estudio de la historia industrial con el enfoque cultural, puede ser muy enriquecedor por cuanto posibilita integrar varios sistemas: industrial, educativo, tecnológico, social y cultural. En otro nivel integrar las tradiciones y las costumbres con los procesos tecnológicos y económicos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey / Javier Rojas Sandoval B Para un desarrollo del concepto de cultura industrial consultar la página: www.monterreyculturaindustrial.org 26 de abril de 1943. Inauguración de la planta de Hojalata y Lámina. Camilo G, Sada, El presidente de México, General Manuel Ávila Camacho, Roberto Garza Sada, Rafael Páez (atrás) y Virgilio Garza. Los datos que hemos aportado en esta breve comunicación muestran la decisiva influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial regiomontana, durante los tiempos del despegue industrial de Monterrey y la primera mitad del siglo XX, de 1890 a 1945. La formación académica de los industriales de Monterrey en las instituciones educativas norteamericanas, ha sido patente por los datos consultados. La tecnología norteamericana ha sido decisiva en la historia de las plantas que sentaron las bases de la industrialización de Monterrey. Como lo hemos podido ver por la información incluida en el presente informe. NOTAS A Hemos optado por el concepto de cultura debido a su flexibilidad y su carácter holístico. El concepto de cultura se define como el sistema de valores, creencias, normas, costumbres y tradiciones que construyen las comunidades humanas para definir su identidad. Una argumentación aproximada se puede encontrar en Talcot Parsons (1966). El sistema social. Revista de Occidente. Madrid, España. Un texto que recoge el enfoque de los estudios culturales aplicados a la industria es el Jordi Roca (1998). Antropología industrial y de la empresa. Ariel. Barcelona, España. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 REFERENCIAS 1. Cien años son un buen principio. Edición de aniversario. Monterrey, N.L. Cervecería Cuauthémoc, S.A. 1990. 2. Mendirichaga, Rodrigo. Monterrey en el desarrollo. Edición del autor. Monterrey, N.L. 1975. 3. Colectividad. Revista de la Fundidora Monterrey, S.A., Julio de 1929. Archivo Histórico de la Fundidora Monterrey. 4. González Caballero, Manuel. La maestranza de ayer la Fundidora de hoy. Compañía Fundidora de Fierro y Acero de Monterrey, Monterrey, N.L. 1980. 5. Vega, J.R. Quién es quién en Monterrey. 19761977. Ed. Revesa. Monterrey, N.L. 1976. 6. Israel Cavazos. Diccionario biográfico de Nuevo León. UANL. Monterrey, N.L. 1984 7. MIT 1864. Scope and Plan of the School of Industrial Ciencie of the Massachusetts Institute of Technology. As reported by the Committee on Instruction of the Institute, and Adopted by the Government. May 30, 1864. Boston: Printed by John Wilson and Son, 5, Water Street, 1864. Massachussets Institute of Technology. Institute Archives & Special colecctionms Documents Concerning the Founding and Early Years of the Institute. http://libraries.mit. edu/archives/mithistory/founding.html. (Consulta enero 12/2004) 8. Mendirichaga, Rodrigo. El Tecnológico de Monterrey. Sucesos, anécdotas, personajes. Ediciones Castillo, Monterrey, N.L. 1982. 9. Hugh P. Tiemann. Iron and Steel (A Pocket Enciclopedia). Mc Graw-Hill Book Company, INC. New York /1919 10. Orin William McMullan. Metalurgy of iron and steel. Internacional Textbook Company. Scranton, P.A. 1936. 11. Derry, T.K. - Trevor I. Williams. Historia de la tecnología. Siglo XXI, México, 1977. Enciclopedia de las ciencias, Ed. Grolier, México, 1983. Diez tomos. 25 �Influencia de la cultura industrial norteamericana en la formación de la cultura industrial de Monterrey / Javier Rojas Sandoval 12. Dillanés, Cisneros, María Estela. Historia del management. La gerencia racional-científica: en busca de la eficiencia. www.azc.uam. mx/publicaciones/gestion/num6/art12.html (Consulta: Enero 12/2004). 13. Fohlen, Claude. La America anglosajona. Labor, Barcelona, España. 1976. 14. www.scripophily.net/alchalcom.html 15. www.cjr.org/tools/owners/ge-timeline.asp. 16. www.cat.com/cda/layout (Consulta enero/2004) 17. Rojas Sandoval, Javier. Fábricas Pioneras de la Industria de Nuevo León. UANL - Pulsar- Consejo para la Cultura de Nuevo León. Monterrey, 1997. 18. Vizcaya Canales, Isidro. 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It invites to think over its goodness and discuss about the need of revaluate and integrate it both, in the educational system and in the personal life, considering that all manual work requires intelligence as well as intellectual work requires the hands. KEYWORDS Manual work, arts, crafts, productivity. Artículo publicado en Reforma, el 27 de noviembre de 2011. Reproducido con la autorización del autor. En la gran depresión que empezó en 1929 y dejó a millones sin empleo, Bertrand Russell tuvo la audacia de elogiar la vida ociosa (In praise of idleness, Harper’s Magazine, octubre de 1932). Se opuso a la “ética del trabajo” porque la plenitud humana requiere ociosidad. El milagro creador de la antigua Grecia fue posible gracias al tiempo libre de los que tenían esclavos. Pero los nuevos esclavos (los inventos que aumentan la productividad) se usan para producir más, no para trabajar menos. Propuso convertir el problema del desempleo en la oportunidad de cultivarse y hacer cosas creadoras. Basta con repartir el trabajo y el tiempo libre entre todos, reduciendo la jornada laboral. Una frase del ensayo se volvió famosa: Hay dos clases de trabajo: modificar algo en la faz de la tierra o decirle a otro que lo haga. Russell recupera la tradición de la vida contemplativa como superior a la activa. En el Génesis y en muchos relatos antiguos se habla de una Edad de Oro: un paraíso donde no hacía falta trabajar. Don Quijote la evoca en el discurso a los cabreros (segunda parte, 11): “Dichosa edad y siglos dichosos aquellos [cuando] a nadie le era necesario para alcanzar su ordinario sustento tomar otro trabajo que alzar la mano y alcanzarle”. Lo recuerda el dicho: “Qué tan malo no será el trabajo que Dios lo puso de castigo”. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 27 �Hecho a mano / Gabriel Zaid Sin embargo, la tradición cristiana asumió el trabajo como valioso. Cristo era carpintero. San Pablo se declaró orgulloso de vivir del trabajo de sus manos; y regañó a los cristianos que dejaban de trabajar en espera del pronto fin del mundo (y vuelta al paraíso): “El que no trabaje, que no coma” (2 Tes. 3). En los monasterios benedictinos, se impuso la consigna: “Ora y labora”. Los verdaderos monjes “viven del trabajo de sus propias manos” (Regla de San Benito, 38). La exaltación de las manos alcanzó un apogeo en el Renacimiento cuando los artistas (hasta entonces considerados poca cosa frente a los intelectuales) asumieron orgullosamente su creatividad manual. Leonardo llegó a decir que las manos hacen algo comparable a la ciencia, porque “la pintura es mental” (Tratado de pintura, I “Si la pintura es ciencia o no”). En realidad, todo trabajo manual requiere inteligencia y todo trabajo intelectual requiere de las manos. Hoy abundan las personas orgullosas de sus manos, y no sólo como pianistas, pintores o cirujanos, sino como aficionados a la carpintería, jardinería, cocina, costura, los modelos a escala, los trabajos de bordado, tejido, encuadernación, joyería, juguetería y muchos otros que requieren inteligencia, destreza y aprendizajes. En los Estados Unidos, donde la mitad de los hogares siembra sus propias hortalizas, la antigua tradición del do it yourself se renovó por la multitud de hogares donde no hay nadie a horas de trabajo para recibir a un plomero, pintor o electricista. Home Mart o Home Depot ofrecen materiales, herramientas y hasta cursillos prácticos para satisfacer esa demanda. Los portales YouTube 28 y Wikihow explican cómo hacer casi cualquier cosa. Además, abundan las revistas especializadas en orientar a los aficionados. Mark Frauenfelder, editor de la revista Make, va más lejos en su libro Made by hand: Searching for meaning in a throwaway world. Arguye (nada menos) que hay que usar las manos para entender la realidad. Hace una crónica divertida de las aventuras que ha corrido desde que trabaja en su casa y procura hacer todo, en vez de comprarlo hecho o contratar a un experto. Su libro no es un manual para enseñar esto o aquello. Lo que enseña más bien, con su propio ejemplo, es que no hay que tener miedo, ni desanimarse porque las cosas salgan mal, como le sucede con frecuencia. Es escritor. Empezó por curiosidad, hablando con los que enviaban artículos para la revista y contagiado por su entusiasmo, aunque no tenía sus conocimientos, experiencia ni habilidad manual. Así se fue embarcando en un proyecto tras otro. “Nunca pensé que pudiera aprender a diseñar circuitos electrónicos, hacer muebles, construir robotes, modificar bicicletas o hacer instrumentos musicales” (un ukelele con el cual se retrata en la portada del libro). También aprendió a sembrar hortalizas y árboles frutales, criar abejas y pollos, desarrollar un sistema ecológico en su jardín, hacer muebles, reparar bicicletas y aparatos, pintar la casa y muchas otras cosas. La más importante de todas: aprendió a aprender, a entenderse con la realidad y los problemas prácticos que plantea, a tener confianza en sí mismo y ser más independiente. Aunque no cita a Iván Illich (The right to useful unemployment: And its professional ennemies), Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Hecho a mano / Gabriel Zaid pizarrón, que tienen ideas muy teóricas sobre como funciona la realidad. Alguna vez, un graduado inteligente dijo con toda naturalidad que no sabía cambiar un fusible. Creyendo que era broma, le dijeron: Tampoco sabrás cambiar un foco... A lo que respondió precisamente: Un foco sí, pero un fusible no. Algo es algo. ilustra en la práctica lo que Illich analizó: para el desarrollo personal, no conviene la extrema dependencia del mercado y los expertos. Algo así soñó José Vasconcelos cuando fue Secretario de Educación Pública y pretendió que las escuelas no fueran solamente de pizarrón, sino de biblioteca, huerto escolar y trabajos manuales. Pero la educación tomó otros rumbos. Irena Majchrzak, maestra polaca que inventó un método alfabetizador basado en el nombre de cada niño (Nombrando el mundo), estuvo en México y visitó los albergues indígenas creados para que puedan asistir a la escuela los niños que viven lejos. Descubrió, con asombro, que no les enseñaban a hacer su propia cama. Así también las universidades producen tecnócratas de Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Las imágenes que ilustran este artículo son del libro: Reducción de letras y arte para enseñar a hablar a los mudos (1620) de Juan Pablo Bonet. 29 �Fibras ópticas con inhomogeneidad inducida Norma Patricia Puente Ramírez, Arturo Romero Castañeda Gustavo Rodríguez Morales y Moisés Hinojosa Rivera Posgrado en Ingeniería Eléctrica FIME, UANL norma.puenterm@uanl.edu.mx RESUMEN Por sus características de propagación, direccionalidad y unidimensionalidad, la fibra óptica es considerada uno de los dispositivos más importantes en el área de las comunicaciones. Sin embargo, la transmisión de datos no es el único objetivo en el uso de la fibra óptica. A partir del descubrimiento de la fotosensibilidad se implementaron estructuras en el núcleo, tales como: Rejillas de Bragg o moteado (speckle) con estadística conocida convirtiéndola en uno de los dispositivos fotónicos más importantes. Las propiedades particulares de las rejillas de Bragg han propiciado su uso en diferentes aplicaciones dentro de los sistemas de comunicaciones como son: espejos, sensores, amplificadores, láseres y filtros. Por otro lado, las estructuras desordenadas han contribuido a aumentar la eficiencia de estas aplicaciones, haciendo evidente que hay un potencial tecnológico para los sistemas desordenados que aún no ha sido explotado. PALABRAS CLAVE Fibras ópticas, propagación de luz, estructuras internas, rejillas de Bragg, moteado. ABSTRACT Due to its propagation characteristics, directionality and dimensionality, the optical fiber is considered one of the most important devices in the area of communications. However, the transmission of data is not the only objective in the use of optical fiber. Since the discovery of photosensivity internal structures have been implemented within the core of optical fibers, such as Bragg gratings or mottled (speckle) with known statistical making it one of the most important photonic devices. The particular properties of Bragg gratings have led to its use in various applications in communications systems such as mirrors, sensors, amplifiers, lasers and filters. On the other hand, disordered structures have contributed to increase the efficiency of these applications, making clear that there is a technological potential for disordered systems, which has not yet been properly exploited. KEYWORDS Optical fiber, light propagation, internal structures, Bragg gratings, speckle. 30 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Fibras ópticas con inhomogeneidad inducida / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. Fig. 1. Esponja marina con propiedades de luz similares a la fibra óptica: euplectella.1,2 INTRODUCCIÓN La fibra óptica ha revolucionado el campo de las telecomunicaciones al convertirse en un dispositivo imprescindible en la implementación de redes de comunicación óptica. Sin embargo, la transmisión de datos no es el único objetivo en el uso de la fibra óptica. En los últimos años, se han implementado dispositivos fotónicos a partir de inducir estructuras o inhomogeneidades en el núcleo de las fibras ópticas. Por inhomogeneidad entendemos la variación longitudinal y transversal del índice de refracción a lo largo de la fibra óptica. Sin embargo, la fibra óptica no es una idea original del todo, la naturaleza una vez más nos demuestra su protagonismo creativo al estar un paso adelante con la creación de la Euplectella2 (figura 1). Debido a las condiciones naturales de iluminación que gobiernan a la Euplectella, ésta es capaz de funcionar eficientemente como guía de onda monomodo o multimodo, sin embargo el material del cual está compuesta no presenta una total transparencia y las pérdidas de luz suelen ser considerables. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 En el caso de las fibras ópticas, un parámetro de gran importancia para la transmisión de luz, son las pérdidas por atenuación, las cuales pueden ser debido a impurezas, composición del núcleo o imperfecciones. Las imperfecciones en el núcleo de la fibra óptica pueden ser generadas por fabricación o inducidas de manera controlada, las generadas por fabricación se presentan debido a irregularidades en la geometría del núcleo o al material contaminado, mientras que las imperfecciones de manera controlada pueden ser inducidas utilizando el efecto de la fotosensibilidad.3 El descubrimiento de la fotosensibilidad abrió la posibilidad de modificar el índice refractivo en el núcleo de las fibras ópticas de forma periódica, aperiódica o aleatoria, a estas modificaciones se les conoce como Rejillas de Bragg. En la búsqueda de nuevas estructuras internas, también se ha reportado la implementación de inhomogeneidad inducida en el núcleo de la fibra óptica y sorpresivamente estas variaciones inhomogéneas han contribuido de manera positiva aumentando la eficiencia de las aplicaciones ya documentadas utilizando rejillas de Bragg. En este trabajo se presenta el estado del arte de las estructuras inducidas por fotosensibilidad en el núcleo de fibras ópticas. Para lograr este objetivo, se presentan los principales parámetros que permiten la propagación de la luz en fibras ópticas, se mencionan los materiales más utilizados para su fabricación y se describen las diferentes estructuras que se han implementado debido al descubrimiento de la fotosensibilidad. Los beneficios y aplicaciones que surgen de la implementación de estructuras inducidas en las fibras ópticas son descritos y finalmente se exponen las conclusiones. Parámetros de guiado en fibras ópticas Una fibra óptica4 es una guía de onda comúnmente cilíndrica fabricada de materiales de baja absorción, tal como la sílica. Está formada por un núcleo central, envuelto por un revestimiento con índice de refracción menor (figura 2). La luz es contenida en la fibra óptica por el fenómeno de reflexión total interna, el cual ocurre cuando inciden ondas en una frontera formada por dos materiales con diferente índice de refracción. 31 �Fibras ópticas con inhomogeneidad inducida / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. Fig. 2. Reflexión total interna y ángulo crítico en una fibra óptica. La condición se cumple siempre que el índice de refracción del material en el que viaja la luz inicialmente sea mayor (n 1) que el índice de refracción del material al que pasará cruzando la frontera (n2), como se ilustra en la figura 2. Partiendo de la ley de Snell, n1 senθ1 = n2 senθ2 , (1) se obtiene una relación entre el ángulo crítico (2c) y los índices de refracción del núcleo (n1) y el revestimiento (n2), quedando como sigue: n θc = sen−1 2 . (2) n1 Otro parámetro utilizado en los sistemas ópticos para indicar el rango de ángulos a los cuales el sistema admite o emite luz es la apertura numérica y se calcula con la siguiente ecuación: NA = n12 − n22 = senθa . (3) Existen diversas formas de clasificar las fibras ópticas, en este escrito se presenta una clasificación basada en los modos de propagación y el perfil del índice de refracción (ver figura 3), como a continuación se mencionan: a) Fibras ópticas monomodo con perfil escalón. b) Fibras ópticas multimodo con perfil escalón. c) Fibras ópticas multimodo con perfil gradual. Materiales de fabricación en fibras ópticas Inicialmente la fibra óptica resultaba un medio con altas pérdidas que no favorecía la transmisión de datos, sin embargo en la década de los 70´s la compañía Corning Glass Works patentó un material ultratransparente5 capaz de convertir a la fibra óptica en un conductor eficiente de luz. Actualmente los principales materiales de fabricación para fibras ópticas son el dióxido de silicio (sílica) y el polimetacrilato de metilo, el cual es un polímero. 32 Fig. 3. Perfil de índice de refracción de una fibra: a) monomodo perfil escalón, b) multimodo perfil escalón y c) multimodo perfil gradual. La introducción de polímeros en la fabricación de fibras ópticas proporciona una gran cantidad de ventajas, entre las cuales están: disminuir las fracturas por mal manejo y la biocompatibilidad para aplicaciones médicas. Hoy en día las fibras ópticas se manufacturan en 3 tipos de configuraciones: • Núcleo de sílica y revestimiento de plástico (SCP). • Núcleo de plástico y revestimiento de plástico (PCP). • Núcleo y revestimiento de sílica (SCS). INHOMOGENEIDADES EN EL NÚCLEO DE FIBRAS ÓPTICAS Inducir estructuras o inhomogeneidades en el núcleo de la fibra óptica, ha sido hasta el día de hoy un campo fértil para la implementación de dispositivos intrínsecos en la fibra óptica. El origen de estas estructuras o inhomogeneidades inducidas se remonta al descubrimiento de la fotosensibilidad. Fotosensibilidad La fotosensibilidad es producto de los experimentos realizados con fibra de sílica dopada con germanio.3 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Fibras ópticas con inhomogeneidad inducida / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. El experimento consistía en introducir un haz láser UV a través de la fibra y esperar unos minutos a observar los resultados. Con el paso del tiempo la luz que se transmitía hacia el otro extremo de la fibra era cada vez menor, según la ley de la conservación de la energía, esa luz debía de estar en alguna parte, y las opciones eran que se había absorbido durante el proceso, se había refractado y atenuado o se había estado reflejando progresivamente hacia la fuente. Según observaciones realizadas por Hill et al.3 la luz coherente propagada a través de la fibra interfería con una pequeña cantidad de luz reflejada hacia la fuente, implementando un patrón de onda estacionaria, el cual a través de la fotosensibilidad grabó una rejilla en el índice de refracción del núcleo de la fibra óptica. El incremento en la fuerza de la rejilla a causa de la prolongada exposición a la luz UV, resultaba proporcionalmente en un incremento en la intensidad de la luz reflejada hacia la fuente hasta llegar a un punto de saturación de casi el 100%. El incremento en la luz reflejada hacia la fuente es una propiedad atribuida en un principio al germanio y se le conoce como fotosensibilidad. Actualmente el fenómeno de la fotosensibilidad se puede encontrar en una gran variedad de materiales, por ejemplo: • Boro: Presenta características que disminuyen el índice de refracción. • Germanio: Este material es utilizado para incrementar el índice de refracción y también fue el primer material en el cual se presentó el efecto de la fotosensibilidad. • Erbio: Usado como elemento activo en los amplificadores de fibra dopados con erbio (EDFA). Rejillas de Bragg Las rejillas de Bragg6 son modificaciones del índice de refracción en el núcleo de la fibra óptica (figura 4), poseen las características propias de un espejo y son de fácil fabricación utilizando radiación UV y fibras dopadas con material fotosensible. La luz que se propaga a lo largo del núcleo de la fibra óptica, será esparcida por cada una de las interfaces que componen a la rejilla de Bragg, produciendo un efecto que semeja el funcionamiento Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Fig. 4. Representación gráfica de una rejilla de Bragg en el núcleo de una fibra óptica. de un espejo. Una de las principales características de la luz reflejada es que satisfacen la “condición de Bragg”, la cual está descrita como: λ B = 2neff Λ, (4) donde λB es la longitud de onda de Bragg, Λ es el período de la rejilla y neff es el índice de refracción efectivo del núcleo de la fibra óptica. La condición de Bragg es un parámetro esencial en el diseño e implementación de sensores, láseres y filtros, más adelante se describen ampliamente. Técnicas de fabricación Las técnicas externas caen en dos categorías que son: interferométricas y no interferométricas. A continuación se describen: Interferométricas Esta técnica está diseñada para confinar el patrón de interferencia al plano de la fibra, la luz láser se divide en dos haces con intensidades iguales y que viajan a lo largo del interferómetro por caminos diferentes para intersectarse en el núcleo de la fibra óptica como se presenta en la figura 5. Fig. 5. Técnica basada en interferometría para fabricar rejillas de Bragg en el núcleo de fibras ópticas. 33 �Fibras ópticas con inhomogeneidad inducida / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. La periodicidad de la rejilla (Λ) depende de dos factores: 1) la longitud de onda del haz láser UV y 2) el ángulo entre los haces que interfieren, dicha relación está dada en la siguiente ecuación: Λ= λw 2senθ (5) donde λw es la longitud de onda del haz incidente y está limitada a la región de fotosensibilidad del ultravioleta y θ es el ángulo entre haces. No interferométricas La técnica de la mascarilla de fase es usada para imprimir un patrón de interferencia en una fibra fotosensible (ver figura 6). La mayoría de las mascarillas son fabricadas de sílica pura transparente a la luz UV. El principio de operación se basa en la difracción de la luz, el patrón de interferencia producido cubre la fibra, alternando regiones de alta y baja intensidad. En las regiones de alta intensidad, la luz UV rompe los enlaces de la sílica cambiando su índice de refracción y de esta manera se forma la rejilla.6 Por lo general el período Λpm de la rejilla grabado en la mascarilla de fase está determinado por el fabricante. Fig. 6. Técnica basada en máscara de fase para fabricar rejillas de Bragg en el núcleo de fibras ópticas. Tipos de rejillas de Bragg Las rejillas de Bragg están clasificadas de acuerdo a la geometría en los siguientes tipos: 1. Periódicas: Este tipo de rejillas presentan una periodicidad en su distribución a lo largo de la fibra como se muestra en la figura 7a. Lo que se traduce como un cambio en el índice de refracción y un período de la rejilla 7 constante. 34 2. Aperiódicas: Son aquellas rejillas de Bragg que presentan un cambio aperiódico en el índice de refracción, se les conoce también como rejillas de Bragg “chirp”, una muestra se presenta en la figura 7b. Este tipo de configuración permite tener distintos períodos de Bragg Λ a lo largo de la fibra. Son aplicables en sistemas de comunicación de alta velocidad que transmiten a largas distancia. Son eficientes como compensadores de dispersión.7-8 3. Inclinadas: Son rejillas que presentan una inclinación con respecto al eje de propagación de la fibra óptica, como se muestra en la figura 7c. El propósito de esta inclinación es acoplar la luz hacia modos de propagación en el revestimiento, también llamados modos radiativos, los cuales están presentes en la parte exterior del núcleo de la fibra. Una de sus principales características es la cantidad de atenuación por unidad de distancia, la cual comparada con el núcleo es mucho mayor.7-9 4. Superestructuras: Estas rejillas presentan una configuración específica como se presenta en la figura 7d. Un ejemplo de este tipo de rejillas es la documentada por Zhang et al.10, en donde el patrón de las rejillas obedece al modelo matemático de la serie de Fibonacci y el cual fue impreso utilizando el método de mascarilla de fase. La característica más importante es que la reflectividad de las rejillas obedece la propiedad de seis ciclos que se presenta en la serie de Fibonacci. Comparadas con estructuras periódicas, este tipo de configuración permite ajustar una mayor cantidad de parámetros y por lo tanto abre una amplia gama de aplicaciones como por ejemplo: interruptores ópticos, filtros de banda estrecha con multiplexación por división en longitud de ondas densas y dispositivos ópticos activos de multifrecuencia. 5. Aleatorias: Fueron por primera vez reportadas en 2008 por N. Lizarraga et al.11. Son rejillas con un período bien definido, la aleatoriedad es inducida en la distancia de separación de cada una de las rejillas como se presenta en la figura 7e. Como resultado de la aleatoriedad se obtiene un láser aleatorio unidimensional en el núcleo de la fibra óptica co-dopada de erbio/germanio. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Fibras ópticas con inhomogeneidad inducida / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. óptica. Las variaciones se realizaron debido a la fotosensibilidad de las fibras dopadas con Ge y a imprimir transversalmente un patrón de speckle* (fig. 8a), utilizando el esquema experimental de la figura 8b. El tamaño de la inhomogeneidad está relacionado directamente con la distancia del difusor a la fibra óptica, la longitud de onda (λ inc=244 nm) y el ancho del haz que incide en el difusor. Mediante el control del tamaño de la inhomogeneidad es posible modificar la luz transmitida, controlar la supresión de pérdidas de radiación y mejorar el acoplamiento entre los modos, esto hace de la fibra óptica con inhomogeneidad inducida un medio óptimo para la implementación de láseres aleatorios. Fig. 7. Tipos de rejillas de Bragg. Inducción de la inhomogeneidad En recientes años, ha aumentado el interés por el estudio de los medios inhomogéneos.13-14 Estos sistemas presentan algunas ventajas en comparación con los sistemas homogéneos. En un sistema homogéneo el esparcimiento por imperfecciones, polvo o cualquier variación geométrica es un factor que se desea reducir o suprimir, ya que causa atenuación de la señal transmitida. Sin embargo, en los sistemas inhomogéneos el esparcimiento es un factor positivo si se utiliza correctamente. Los beneficios de inducir un medio inhomogéneo en sistemas periódicos u homogéneos se han reportado en diferentes áreas de investigación, como lo son: comunicaciones inalámbricas,12 óptica no lineal,13 neurobiología14 y en la implementación de microláseres utilizando medios desordenados.15 En 2003,16 reportan la implementación de un láser, debido al esparcimiento de partículas desordenadas sin utilizar espejos. En 2011, N. P. Puente et al.17, reportan estadísticas de transmisión como resultado de inducir variaciones en el índice de refracción del núcleo de la fibra Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Fig. 8. a) Patrón de speckle y b) Esquema experimental. APLICACIONES Y PERSPECTIVAS A partir del descubrimiento de la fotosensibilidad, la extraordinaria evolución de las variaciones en el índice de refracción del núcleo de la fibra óptica continúa siendo un gran tópico de interés. Es por ello que en la última década, surgen nuevas propuestas para la implementación y aplicación en diversos sistemas ópticos. La propiedad de reflejar una o varias longitudes de onda, le permite a las estructuras inducidas en el núcleo de la fibra óptica (Rejillas de Bragg) adoptar el rol de dispositivos de sensado. Entre las variables medibles están: presión, volumen, temperatura,18 esfuerzo mecánico,18 aceleración,19 composición química, radiación, rotación, etc. Otra aplicación se ha realizado en la implementación de estructuras inteligentes,20 donde el sensado es capaz de detectar a tiempo fracturas 35 �Fibras ópticas con inhomogeneidad inducida / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. y daños estructurales en puentes y edificios, previniendo de esta manera derrumbes o colapsos. En el caso de aeronaves (figura 9) y barcos tripulados el sensado es de vital importancia para salvaguardar vidas humanas ya que al detectar posibles fugas de combustible se puede evitar una potencial catástrofe. Fig. 9. Aeronave moderna.21 La implementación de inhomogeneidades aleatorias en el núcleo de fibras ópticas, ha resultado en el aumento de la sensibilidad en sensores, disminución del ancho de banda espectral de láseres e implementación de láseres aleatorios, generando un amplio campo de investigación en la implementación de dispositivos fotónicos intrínsecos. CONCLUSIONES El reciente auge en los sistemas de comunicaciones de alta velocidad se debe en gran parte al uso de la fibra óptica, su gran capacidad de información y su inmunidad a la interferencia electromagnética son solo algunas de las ventajas por las cuales la fibra óptica es uno de los dispositivos más usados e importantes en las telecomunicaciones alrededor del mundo. Sin embargo, un error recurrente es relacionar a la fibra óptica únicamente como un medio de transmisión, en los últimos años este concepto ha quedado obsoleto debido a la implementación de estructuras internas en el núcleo de la fibra óptica, abriendo una nueva y amplia gama de aplicaciones tales como: filtros, espejos, sensores, multiplexores y láseres. Los recientes avances en el área de sistemas desordenados señalan que las estructuras desordenadas en el núcleo de las 36 fibras ópticas han contribuido de manera positiva a aumentar la eficiencia de estas aplicaciones, reiterando el potencial tecnológico e inexplotado de los sistemas desordenados, exponiendo un sin número de beneficios potenciales para el hombre. REFERENCIAS 1. Venus Flower Basket , http://www.abdn.ac. uk / ~nhi708/treasures/venus.php 2. 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Jet F-15 http://www.nasa.gov/ centers/dryden / multimedia/imagegallery/F-15ACTIVE/index.html El INSTITUTO MEXICANO DE ACÚSTICA LA ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Y EL COLEGIO DE INGENIERIOS EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA Invitan al XIX CONGRESO INTERNACIONAL MEXICANO DE ACÚSTICA CIUDAD DE MÉXICO, MÉXICO 5 - 7 diciembre, 2012 CONFERENCIAS, POSTERS, CURSOS, EXPOSICIÓN TEMÁTICAS: Audio, Acústica Arquitectónica, Música, MIDI, Acústica Física, DSP, Ruido, Vibraciones Mecánicas, Bioacústica, Comunicaciones, Normas, Etc. INSTITUCIONES PARTICIPANTES: Acoustical Society of America, Asociación Mexicana de Ingenieros y Técnicos en Radiodifusión, Cámara de la Industria de la Construcción, Del. Oaxaca, Cenidet, Centro Nacional de Metrología, CIIDIR Oaxaca, Instituto Guerrerense de la Cultura, Instituto Politécnico Nacional, Instituto Tecnológico Superior de Uruapan, Tecnológico de Veracruz, Universidad Autónoma de Nuevo León, Universidad de Guadalajara, Universidad de Guanajuato, Universidad de las Américas en Puebla, Universidad Latina de América, Universidad Tecnológica Vicente Pérez Rosales (Chile). SEDE: Centro de Convenciones del Hotel Casa Inn, Río Lerma #237, Ciudad de México, México. INFORMACIÓN Coordinación General: M.Sc. Sergio Beristáin: sberista@hotmail.com TEL. (52 - 55) 5682 - 2830, 5682 - 5525, FAX (52 - 55) 5523 - 4742 Coordinación ESIME: Ing. Patricia Ramírez. TEL. (0155)-5729 6000 x 54652 Coordinación CICE: Dr. Jorge A. Maciel. (0155)-5729 6000 x 64632 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 37 �El accidente nuclear de Fukushima J. Rubén Morones Ibarra Posgrado, FCFM-UANL rmorones@fcfm.uanl.mx RESUMEN En este artículo se describe el accidente nuclear de Fukushima causado por el sismo y el tsunami del 11 de marzo de 2011, el cual es el segundo más grave de la historia de las plantas nucleares, después del accidente de Chernobyl. Con el sismo los sensores de la planta nuclear se activaron y los reactores se apagaron automáticamente. El tsunami inundó el cuarto donde se encontraban las plantas diesel de emergencia y no se contó con energía eléctrica para bombear el agua en sistema de refrigeración del reactor. Se produjo entonces el sobrecalentamiento que condujo al accidente nuclear. PALABRAS CLAVE Reactor nuclear, central nuclear, accidente nuclear, Fukushima. ABSTRACT This articule describes the nuclear accident in Fukushima caused by the earthquake and the tsunami on March 11, 2011, which is the second biggest accident in the history of nuclear plants, after Chernobyl. The sensors on the nuclear plant were activated by the earthquake and the reactors werer shuted down automatically. The room of diesel generator was flood by the tsunami and the refrigeration system of reactors did not operate because the lack of electrical energy. There was an overheating in the head of reactor which leads to the nuclear disaster. KEYWORDS Nuclear reactor, nuclear plant, nuclear accident, Fukushima. INTRODUCCIÓN Hasta antes del 11 de marzo de 2011, Japón tenía en total 54 reactores nucleares en operación, de los cuales obtenía más del 30% de la electricidad total generada en el país. En la ciudad de Fukushima existen dos centrales nucleares, separadas una distancia de 11 kilómetros una de la otra. En la central nuclear denominada Fukushima I hay seis reactores nucleares con una capacidad de generación eléctrica total de 4.7 Giga Watts (GW). La otra central nuclear, denominada Fukushima II, la forman un conjunto de cuatro reactores con una potencia de 1.1 GW cada uno. Fukushima I fue construida en 1971. Con sus 4.7 GW de potencia, esta central nuclear es una de la 25 más grandes del mundo. Sus seis reactores están denominados numéricamente del 1 al 6. 38 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �El accidente nuclear de Fukushima / J. Rubén Morones Ibarra Central nuclear japonesa *Fukushima I* antes del tsunami. La central nuclear de Fukushima II, construida en 1982, no fue dañada ni por el sismo ni el tsunami debido a que los reactores de esta planta se apagaron automáticamente al detectar los sensores el sismo y activando el sistema de refrigeración de emergencia, el cual funcionó sin problemas. Durante el sismo de marzo de 2011 en Fukushima I estaban apagados, por razones de mantenimiento, los reactores 4, 5 y 6, pero aun cuando un reactor se encuentre apagado, continúa generándose calor debido a que los residuos nucleares, producto del combustible nuclear consumido, son altamente radiactivos y su actividad produce calor. Este calor se produce debido a que los productos de la desintegración radiactiva tienen energía cinética, la cual se pierde en los choques con el medio produciendo agitación térmica. El calor generado es mínimo comparado con la que se genera con el reactor en funcionamiento normal, sin embargo, este calor debe ser extraído del reactor para evitar un sobrecalentamiento, que puede fundir la cabeza del reactor ocasionando un grave accidente. Por tal motivo, aún apagado, un reactor necesita que el sistema de enfriamiento esté funcionando siempre. Cuatro de los reactores nucleares de la planta de Fukushima I fueron seriamente dañados. FISIÓN NUCLEAR El fenómeno de la fisión nuclear fue descubierto por los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassman en 1939. La explicación fue dada el mismo año por los físicos Lissa Meitner y Otto Frisch, Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 demostrando que el fenómeno, que se observó en el isótopo de uranio-235, se debe a que, cuando el núcleo de este isótopo absorbe un neutrón, el núcleo se desestabiliza dividiéndose en dos partes (dos núcleos más pequeños) y liberando a su vez algunos neutrones y también una gran energía.1 La energía liberada por la fisión nuclear fue utilizada por primera vez durante la segunda guerra mundial para fabricar bombas atómicas, las que en realidad deberían llamarse bombas nucleares. Al terminar la segunda guerra mundial, se buscó la aplicación pacífica de la fisión nuclear, lo cual fue logrado con la construcción de un reactor nuclear en 1954 por la Unión Soviética. Fue así como por primera vez se puso en operación un reactor nuclear para generar electricidad. De ahí en adelante se disparó la construcción de reactores nucleares en el mundo. Actualmente hay 442 reactores en 29 países generando electricidad. También hay una gran cantidad de pequeños reactores impulsando barcos y submarinos nucleares. EL REACTOR NUCLEAR Un reactor nuclear es esencialmente una caldera cuyo calor proviene de reacciones nucleares.1 El vapor de agua generado se transmite por tuberías hacia una turbina acoplada a un generador eléctrico. El corazón, también llamado núcleo o cabeza, de un reactor nuclear es el lugar donde se colocan las barras de combustible, que son de uranio enriquecido y es donde se genera el calor. El corazón del reactor contiene también unas barras de control, fabricadas Otto Hahn y Fritz Strassman descubridores de la fisión nuclear. 39 �El accidente nuclear de Fukushima / J. Rubén Morones Ibarra de cadmio o boro para absorber neutrones, que se intercalan entre las barras de combustible y tienen la función de regular la potencia del reactor, así como de detener las reacciones nucleares y apagar el reactor. El núcleo del reactor se encierra en una cápsula metálica llamada vasija de presión del reactor y está hecha de una gruesa capa de acero. SISTEMAS DE BLINDAJE EN UNA PLANTA NUCLEAR Las medidas de seguridad asociadas con el blindaje de un reactor consisten de varias cámaras una dentro de otra. El objetivo de estas cámaras es el de evitar la fuga de radiación o de material radiactivo al medio ambiente. La cámara más interior es la vasija del reactor, la cual contiene las barras de combustible, las barras de control y moderadoras y en ella entra el agua que extrae el calor. La vasija es hermética y está formada por una placa de acero de cinco o más centímetros de espesor que evita que el combustible o la radiación salgan de ella. Hay varios diseños de reactores, algunos tienen tres cámaras. En estos casos la segunda cámara puede ser también metálica o puede ser de concreto, en algunos casos es una estructura hermética cuyas paredes son de acero y concreto de cerca de dos metros de espesor. Encerrando a esta estructura se tiene al edificio del reactor, el cual no es hermético pero está construido de concreto con paredes de 60 o más centímetros de espesor. Con estas estructuras la posibilidad de que se fugue al exterior la radiación o material radiactivo, es mínima. Los reactores de la central de Fukushima son del tipo de agua hirviente (Boiling Water Reactor, BWR). En este tipo de reactores el vapor de agua que se envía por tubería a la turbina, se produce en el mismo reactor. El corazón del reactor con las barras de combustible, también contiene las barras de control que son de cadmio o de boro. El corazón del reactor está encerrado en un recipiente de acero hecho de una placa de espesor de cinco centímetros. Este recipiente se conoce como vasija de presión del reactor (PRV, por sus siglas en inglés). Encerrando al corazón del reactor y a una parte de la tubería que conduce el agua que saca el calor generado en las reacciones nucleares, está la vasija de contención (CV) la cual se construye también 40 Esquema general del sistema de blindaje del reactor nuclear. con una placa de acero un poco más delgada que la de la PRV. Todo esto queda a su vez encerrado en el edificio del reactor. CENTRALES NUCLEARES Una central nuclear es un complejo industrial de edificios e instalaciones donde operan una gran multitud de partes y componentes. En ella puede haber varios reactores. La vida media de un reactor se estima entre 30 y 35 años y la planta de Fukushima ya tenía 40 años en funcionamiento. El número de trabajadores en una planta nuclear es usualmente muy grande. En la central nuclear de Fukushima trabajan más de 600 personas. SEGURIDAD EN LAS PLANTAS NUCLEARES El público en general desconoce que los procedimientos de seguridad en las plantas nucleares son mucho más rigurosos que en cualquier otro tipo de industria, comparable sólo con la seguridad en la industria espacial. Por mucho, las medidas de seguridad en las plantas nucleares son más estrictas que en cualquier otra industria de generación de energía eléctrica. Aún cuando en las industrias tradicionales pueden producirse accidentes graves que ponga en peligro la vida de las personas o causar un daño serio al medio ambiente, existe en ellas un bajo nivel de supervisión. En cambio, en la industria nuclear se tienen las más rigurosas medidas de seguridad y continuamente se le está sometiendo a supervisión. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �El accidente nuclear de Fukushima / J. Rubén Morones Ibarra OPERACIÓN DE UN REACTOR NUCLEAR En un reactor nuclear el proceso primario es el de la generación de calor. Esto se consigue mediante reacciones nucleares conocidas como de fisión nuclear. El proceso de fisión nuclear se inicia mediante la captura de neutrones por los núcleos de uranio los cuales al fisionarse producen más neutrones que a su vez generan reacciones de fisión. Este proceso autosostenido y regulado es la fuente de calor en los reactores nucleares. La manera de controlar la generación de calor en un reactor es mediante la regulación de la cantidad de neutrones presentes en el volumen donde se encuentran las barras de combustible. Las reacciones nucleares se producen con una rapidez que depende del número de neutrones presentes. La función de las barras de control es la de regular esta cantidad de neutrones mediante la absorción de neutrones. Para lograr esto las barras de control se fabrican de un material que contenga núcleos atómicos que sean buenos absorbedores de neutrones. Entre estos encontramos el cadmio y el boro.2 Las barras de control son movibles y se colocan dentro de la cabeza del reactor, intercaladas entre las barras de combustible. Al introducirse entre las barras de combustible, disminuye el número de reacciones nucleares por unidad de tiempo. Si se quiere aumentar la potencia del reactor, es decir generar más calor por unidad de tiempo, se retiran las barras de control. Para apagar el reactor, se introducen éstas totalmente entre las barras de combustible. Aun cuando las reacciones de fisión se hayan detenido por la introducción completa de las barras de control, la generación de calor en la cabeza del reactor continúa, aunque con mucha menor rapidez, debido que el combustible de uranio ya consumido contiene productos radiactivos que generan calor en los procesos de decaimiento radiactivo. Este calor debe extraerse de la cabeza del reactor y constituye un aspecto muy importante de las medidas de seguridad del reactor, ya que la suspensión de los procesos de fisión puede deberse a alguna amenaza de accidente o aun accidente propiamente. Es aquí donde el sistema de seguridad asociado al sistema de enfriamiento debe funcionar bien. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 ACCIDENTES EN UN REACTOR El accidente más grave en un reactor se conoce como LOCA (Loss Of Coolant Accident) y ocurre cuando falla el sistema de enfriamiento (circulación del agua dentro del PRV).3 Por falta de refrigerante se produce un sobrecalentamiento del reactor que ocasiona el derretimiento o fusión de la cabeza del reactor, lo que ocurre alrededor de los 2,800 0C. Con el derretimiento de la cabeza del reactor la PRV también se fundirá y así mismo se fundirá la CV y el combustible nuclear escapará del CV lo cual es altamente peligroso para la salud por la intensa radiación que produce. A temperaturas por encima de 1,000 0C el vapor de agua reacciona con el material de la cubierta de las cápsulas de combustible produciendo hidrógeno el cual, al combinarse con el oxígeno es altamente explosivo. Las explosiones que ocurren en las plantas nucleares cuando un reactor se sale de control y hay sobrecalentamiento son de hidrógeno. Durante el funcionamiento normal del reactor, el sistema de refrigeración evita el calentamiento del núcleo del reactor y este opera en los intervalos de temperatura para los que está diseñado. La razón por la cual las plantas nucleares se construyen usualmente en las costas es para disponer de agua abundante para enfriar al reactor en caso de alguna anomalía. Si las bombas de enfriamiento fallan, existe un mecanismo automático que dispara las barras de control hacia el interior de las barras de combustible apagando el reactor. Sarcófago del reactor accidentado en Chernóbyl en 1986. 41 �El accidente nuclear de Fukushima / J. Rubén Morones Ibarra SISMO Y TSUNAMI El epicentro del sismo del 11 de marzo fue localizado en el océano pacífico, a cien kilómetros de la costa japonesa. Un sismo es un desplazamiento de las placas tectónicas de la corteza terrestre, lo cual ocasiona el terremoto que es el desplazamiento de las ondas sísmicas en la corteza terrestre. Un sismo con epicentro en el mar ocasiona un maremoto que es el movimiento de las ondas sísmicas en las aguas del océano, lo cual se manifiesta como grandes olas en la superficie marítima. Existe una gran diferencia entre una ola normal de mar y la ola provocada por un terremoto. Mientras que las olas normales, generadas principalmente por el viento, son superficiales, las olas generadas por el terremoto están asociadas con el movimiento de todo un bloque de agua que va desde el fondo marino hasta la superficie. Además no es sólo una ola sino que pueden ser varias, que aparecen espaciadas en el tiempo en varios minutos. Este tipo de ola se conoce como tsunami. El sistema de proteccion contra olas de la planta Fukushima fue superada por el tsunami. CRÓNICA DEL ACCIDENTE NUCLEAR EN FUKUSHIMA A las 2:46 PM del día 11 de marzo de 2011 se registró un sismo de 9 grados en la escala Richter ocurrido en la Placa del Pacífico. El epicentro fue a 130 kilómetros de la península de Ojika, en Japón. El subsiguiente tsunami provocó olas de más de 10 metros de altura.4 Este terremoto y el tsunami causaron serios daños en la planta nuclear de Fukushima, Japón. Este ha sido uno de los sismos más intensos de que se tenga memoria. Al sismo le siguió un enorme tsunami que alcanzó una velocidad de propagación de 115 Km/hora,5 causando una enorme destrucción. 42 Vista aérea de la zona donde se ubican los reactores dañados en la planta Fukushima I. La planta nuclear estaba protegida con una pared contra olas de sólo 6 metros. Los reactores nucleares se apagaron automáticamente al ser detectado el sismo. Sin embargo, debido a que toda la red eléctrica externa sufrió daños no se pudo proporcionar energía eléctrica a las bombas de agua para enfriar los reactores.6 Por otra parte, el tsunami inundó el cuarto donde estaban los generadores eléctricos diesel, los cuales funcionan también como respaldo en caso de accidente, por lo que tampoco se contó con esta energía. Sin este suministro de energía el sistema de enfriamiento de los reactores no pudo funcionar y el accidente adquirió proporciones de catástrofe. Este fue el principal problema y la causa del accidente nuclear. El último recurso de emergencia fueron las bombas accionadas por baterías, con las que se logró proporcionar electricidad al sistema de emergencia de enfriamiento, pero su reserva de energía es de solo 8 horas y fue entonces que sobrevino el desastre.7 Al cesar la circulación de agua de enfriamiento el reactor se sobrecalentó. La presión en la vasija de presión del reactor aumentó considerablemente Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �El accidente nuclear de Fukushima / J. Rubén Morones Ibarra Ubicación de los reactores dentro de la planta. y sin control, por lo que los ingenieros de la planta decidieron liberar vapor de agua para aliviar la presión. Este vapor, contaminado con material radiactivo, quedó dentro del edificio del reactor. La primera explosión de hidrógeno ocurrió en el reactor número uno el 12 de marzo. Una explosión más fuerte ocurrió en el reactor 3 y otra de igual magnitud ocurrió en el reactor apagado número 4. Estas explosiones dañaron las paredes o los techos de los edificios que alojaban cada uno de los reactores.8 UNA MEDIDA DESESPERADA Para enfriar los reactores se recurrió al último recurso que se tiene en estos casos, que es el bombeo de agua de mar en los reactores. Esta medida se pospuso lo más que se pudo debido a que los reactores se dañan al quedar inundados en agua marina. La acumulación de sal en las barras de combustible, después de la evaporación del agua, daña estas barras y perjudica el funcionamiento del reactor. Al agua de mar se le añadió acido bórico ya que el boro, como ya se mencionó, es un buen absorbedor de neutrones, lo cual evita que se produzcan reacciones nucleares de fisión que son exotérmicas. Hubo una fuga de agua contaminada con material radiactivo en el reactor número 1. Las filtraciones a través de las grietas provocadas por el sismo en el piso del reactor causaron esta fuga de agua la cual se derramó en el océano pacifico contaminando sus aguas. Además, el agua utilizada para el enfriamiento del reactor fue vertida directamente en el mar aumentando los niveles de radiactividad. En muestras tomadas del Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 agua marina en los días siguientes al accidente, se llegó a comprobar que tanto el agua como los peces de la costa de Fukushima presentaban un incremento significativo de radiactividad. El 25 de marzo un barco de la marina de EUA llegó a las costas de Fukushima con agua dulce disponible para enfriar los reactores. Los camiones de bomberos se encargaron de arrojar el agua sobre los reactores 1, 2 3 y 4, lanzando también grandes cantidades de nitrógeno gaseoso. Al inyectar agua limpia en el RPV mediante el bombeo, se corre el riesgo de explosiones de hidrógeno debidas a la condensación de vapor de agua en el PCV durante el enfriamiento lo cual conduce a aumentar la concentración de hidrógeno. El remedio para esto es inyectar gas nitrógeno dentro del PCV para diluir la concentración de hidrógeno. Para el 29 de marzo ya se disponía de energía eléctrica para operar las bombas de agua de algunos de los sistemas de enfriamiento que no sufrieron daño, esto estabilizó la situación un poco. Se había regularizado el servicio de agua potable en la red y se disponía de ella para enfriar los reactores. El 17 y 18 de abril se introdujo al edificio del reactor un robot autónomo para inspeccionar los niveles de radiación, encontrando que estos eran muy elevados y no era conveniente que los obreros de la planta entraran en él. Los trabajadores de la central buscaban entrar al edificio para reparar el sistema de refrigeración y así tener un control sobre los reactores. En los primeros días de mayo de 2011 varios trabajadores fuertemente protegidos, con trajes Vista aérea de la central nuclear Fukushima I poco tiempo después del tsunami. 43 �El accidente nuclear de Fukushima / J. Rubén Morones Ibarra especiales para protegerse de la radiación, tanques de oxigeno y máscaras entraron al edificio del reactor número uno. Realizaron trabajos de conexión de ductos e instalación de ventiladores para filtrar el aire y retirar el material radiactivo. Tras varios días de funcionar el filtrado del aire se logró bajar los niveles de radiactividad en el interior y los trabajadores, protegidos con trajes especiales, pudieron entrar al edificio para reparar el sistema de enfriamiento del reactor. Después de 80 días del accidente, el 30 de mayo, se había logrado estabilizar los reactores. El proceso de monitoreo que medía los niveles de contaminación de agua, aire, suelo y alimentos en la zona detectó niveles aceptables que no ponen en peligro la vida de las personas. Para esa fecha, la contaminación en el agua de la costa marina había sido reducida notablemente. RECUENTO DE LOS DAÑOS Para enero de 2012 la situación estaba bajo control en todos los reactores (referencia: World Nuclear Association). Hasta mayo de 2012 ninguna muerte fue atribuida al accidente nuclear causado por radiactividad. Tampoco se han detectado efectos en la salud de los trabajadores que estuvieron expuestos a la radiación. Los daños más severos fueron sobre las costas y el suelo lo cual ha afectado la pesca, la agricultura y la ganadería. El informe de la International Comission for radiation Protection (ICRP) indicó que los niveles de radiación a la que estuvo expuesta la población de Fukushima se mantuvo siempre por debajo de los valores considerados peligrosos para la salud. Se estableció que el escape de material radiactivo fue equivalente al 20% del que se produjo en el accidente de Chernobyl. Según los informes de las autoridades japonesas, la compañía operadora de la planta Tokio Electric Power Company (TEPCO) tardó en decidir si enfriaba el reactor arrojando sobre él agua de mar, ya que la operación dejaría inservible el reactor, lo que TEPCO trataba de evitar. La tardía reacción de arrojar agua de mar sobre el reactor se tomó 28 horas después de que el sistema de refrigeración dejó de funcionar. Esto llevó finalmente a la fusión parcial de 44 Trabajadores durante las actividades de estabilización de la planta nuclear. la cabeza del rector. Si se hubiera enfriado el reactor desde el principio con agua de mar, el problema de la fusión del núcleo se hubiera evitado. CONSECUENCIAS DEL ACCIDENTE NUCLEAR DE FUKUSHIMA El primer ministro de Japón Naoto Kan renunció en septiembre de 2011 después de recibir críticas muy fuertes por su falta de capacidad para manejar la crisis del accidente de Fukushima. Su postura, por supuesto, fue de que nadie espera que él sea experto en asuntos nucleares y sólo tomó decisiones en base a la información que sus funcionarios, asesorados por expertos nucleares le proporcionaron. Japón se vio obligado a reducir su consumo de energía eléctrica en un 15% y sufrir el calor del verano. La temperatura de los aires acondicionados se colocó 2 0C por encima de lo usual y ahora se fija en 28 0C. El pasado mes de mayo de 2012, se suspendió el funcionamiento del último reactor activo de los 54 que están instalados en Japón. Por primera vez desde que se inició en 1971 el programa de centrales nucleoeléctricas de Japón, el país dejará de generar electricidad por este medio. No se espera que en el transcurso de unos pocos años se reactive el funcionamiento de las centrales nucleares en Japón. Aun cuando los reactores de una central nuclear del centro de Japón han pasado las pruebas más rigurosas de seguridad, y el gobierno busca Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �El accidente nuclear de Fukushima / J. Rubén Morones Ibarra El ex-primer ministro de Japón, Naoto Kan, quien dimitió presionado por el accidente de la planta nuclear de Fukushima, y su sucesor Yasuhiko Noda. convencer a las administraciones locales de que es necesario reactivar las plantas nucleares, se han encontrado con el rechazo de la población y la misma administración. Todos los reactores nucleares de Japón han sido apagados para someterlos a mantenimiento y revisión estricta de las medidas de seguridad. Mientras tanto, la población exige que para que funcionen las centrales nucleares en Japón, se adopten medidas de seguridad que superen las pruebas de resistencia de una catástrofe como las del sismo y el tsunami que ya padecieron. La energía eléctrica que antes se producía en las plantas nucleares ahora se obtiene de plantas termoeléctricas con las consecuentes emisiones de CO2. En el año 2010 Japón planeó la construcción de 14 rectores nucleares más para así elevar a 50% la generación de energía eléctrica total del país proveniente de plantas nucleares.6 Este proyecto fue desechado después del accidente de Fukushima. El 9 de junio de 2012 la prensa internacional dio a conocer la noticia de que el Primer Ministro de Japón, Yasuhiko Noda, avisa a su país que es necesario reactivar algunos reactores nucleares para proteger la economía y el sustento de la nación. Sin embargo, la población ha manifestado su rechazo a tal medida. EVALUACIÓN DE UN ACCIDENTE NUCLEAR El INES (International Nuclear Event Scale) es un instrumento de medida que permite informarle a la población cuál es el grado de peligrosidad de un incidente o accidente nuclear. Esta escala puede Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Vista de los daños a las estructuras de los edificios de los reactores nucleares de Fukushima. ser aplicada a cualquier evento relacionado con el uso de material radiactivo, ya sea su transportación, almacenaje o del uso de isótopos radiactivos. El INES es una escala numérica en el intervalo de 1 a 7 que nos indica la gravedad del evento o accidente nuclear. Los eventos nucleares del 1-3 son clasificados como incidentes, lo que significa que no se pone en peligro ni a las personas ni al medio ambiente. Un accidente de categoría 4 tiene consecuencias locales y en uno de nivel 5 los efectos se extienden a un área mayor. Uno de categoría 6 es aquel que impacta a las personas y al medio ambiente en un radio de alrededor de 40 kilómetros. En un accidente de categoría 7 se tienen fugas importantes de material radiactivo que afectan a las personas y al medio ambiente en una extensión que abarca más de cien kilómetros de radio. En este último caso se requiere la aplicación de un plan Otra vista que muestra la gravedad del accidente. 45 �El accidente nuclear de Fukushima / J. Rubén Morones Ibarra de emergencia en el que se realiza la evacuación de todas las personas en un área de un radio de 40 kilómetros alrededor de la planta nuclear donde se produjo el accidente. Solo pueden permanecer en la zona los trabajadores de la planta encargados de controlar la situación. Después se requerirá un programa para limpiar el área de material radiactivo y posiblemente sepultar el reactor nuclear lanzándole costales de arena y placas de concreto para sellar el lugar y evitar fuga de radiación. El principal propósito del INES es facilitar la comunicación entre el personal técnico con las autoridades, los medios de comunicación y la población. El accidente de Fukushima fue clasificado en la categoría 7. LECCIONES DEL ACCIDENTE NUCLEAR Las lecciones que se derivan de este accidente son las siguientes: 1. Se debe disponer de un número mayor de generadores eléctricos para afrontar el problema de un terremoto y un tsunami. 2. Las plantas eléctricas deben estar bien protegidas para que funcionen y puedan alimentar el sistema de enfriamiento de los reactores en los casos de emergencia. 3. El primer reactor nuclear de la planta de Fukushima inició su operación el 26 de marzo de 1971. Su antigüedad al momento del accidente era de 40 años. El tiempo de vida de un reactor se estima entre 30 y 35 años, por lo que los reactores de Fukushima ya deberían de haberse modernizado o reemplazado por reactores con una tecnología más moderna.9 EL FUTURO DE LA ENERGÍA NUCLEAR La energía que mueve al mundo es la electricidad. El problema actual es cómo obtener la energía primaria para producir la electricidad que consumimos. Los acontecimientos ocurridos en la planta nuclear de Fukushima, Japón, posteriores al sismo y al tsunami de marzo de 2011, han llevado a las compañías constructoras de centrales nucleares a replantear las medidas de seguridad en los reactores nucleares introduciendo una nueva normativa. 46 Trabajadores durante el proceso de limpieza y estabilización de la planta. Es importante entender que todas las actividades industriales conllevan riesgos y por lo tanto tienen que establecerse normas de seguridad para el funcionamiento de las industrias. Los riesgos siempre existirán y no por eso se dejará de buscar el progreso mediante el desarrollo industrial. Cuando se tenga que racionalizar la electricidad y se tengan apagones frecuentes, entonces se clamará por cualquier tipo de fuente de energía que resuelva el problema. Como regla general la evaluación de cualquier tecnología se hace en términos de los riesgos y los beneficios, esto significa que los riesgos son aceptados en base a los beneficios recibidos. Las plantas nucleares tienen más de 50 años funcionando en el mundo, probando que ésta fuente de energía es limpia y segura, y que durante su funcionamiento normal no contamina el medio ambiente. Por otra parte, las fuentes de energía que provienen de los combustibles fósiles producen daños a la salud y al medio ambiente. No parece que vaya a ocurrir un desplome en la industria de la energía nuclear pues actualmente hay más de 50 reactores nucleares en construcción en el mundo. En EUA está aprobada la construcción de dos reactores en Carolina del Sur y otros dos en Georgia, de acuerdo con la información del Nuclear Energy Institute. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �El accidente nuclear de Fukushima / J. Rubén Morones Ibarra COMENTARIOS FINALES Ninguna industria o planta es 100% segura. Los desastres naturales siempre existirán y debemos entender que para algunos de ellos no existe ninguna protección. Por ejemplo, para un aerolito de grandes dimensiones que choque con cualquier estructura construida por el hombre, no se puede, en principio, tener ningún resguardo. Sin embargo, aun cuando los desastres naturales no se pueden evitar, un accidente en una planta nuclear puede impedirse o minimizarse si se toman las medidas de seguridad adecuadas. Después de Fukushima, las normas de seguridad para centrales nucleares deberán incluir la posibilidad de desastres combinados. Para construir una planta nuclear, se deberán tomar en cuenta los registros históricos de la región y evaluar las máximas catástrofes que puedan ocurrir, para así diseñar la planta considerando la posibilidad de una combinación de estas catástrofes. Además, deberán estarse modernizando las plantas para ir incorporando las nuevas tecnologías. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 REFERENCIAS 1. F. Yang, and J. H. Hamilton, Modern Atomic and Nuclear Physics, McGraw-Hill, 1996. 2. A. Daas, and T. Ferbel, Introduction to Nuclear and Particle Physics, Second Edition, World Scientific, 2006. 3. B. L. Cohen, La Energía Nuclear, Siglo XXI, 1993. 4. Takashi, Mariko and Katsuda Toshihiro, Fukushima Nuclear Power Plant Disaster, The Asahi Shimbun Company, 2011. 5. Fukushima 3/11, Yujiro Taniyama and Scott Ritzgerald. 2011. 6. Japan’s Tipping point, Mark Pendergrast, Nature’s Face Publications, 2011. 7. Complete guide to the three worst nuclear accidents: Fukushima, TMI and Chernobyl, U.S. Govermment, Nuclera Regulatory Commission. 2011. 8. Japan. Hell on Earth: 2011, Paul Andrews, Andrews UK, 2011. 9. Hirose, Thakashi, Fukushima Meltdown, Edit. Douglas Lummis, 2011. 47 �La Fábrica de Hilados y Tejidos “La Leona”, 1874-1976 José Roberto Mendirichaga Universidad de Monterrey jose.mendirichaga@udem.edu.mx En memoria de Jesús Arreola Pérez, historiador coahuilense RESUMEN Este artículo refiere la historia de una factoría fundada en el municipio de San Pedro Garza García en 1874, la que tuvo por nombre Fábrica de Hilados y Tejidos “La Leona”. La empresa dio origen a la comunidad del mismo nombre. En 1899, Cantú Treviño Hermanos Sucs. compraron La Leona, la que en 1940 pasó a doña María Cantú Treviño de Llaguno e hijos y luego fue vendida en 1976 al Grupo Alfa. El autor señala las diversas etapas de la misma y concluye evocando un pasado que merece rescatarse. La Leona, escultura-símbolo PALABRAS CLAVE de la secular factoría. Fábrica textil “La Leona”, empresas pioneras, historia local, San Pedro Garza Foto: Archivo Llaguno. García, Grupo Llaguno. ABSTRACT This article refers to the history of a factory founded in 1874 in San Pedro Garza Garcia, which was named Fabrica de Hilados y Tejidos “La Leona”. This factory gave rise to the community of the same name. Cantu Treviño Hermanos Sucs. bought “La Leona” in 1899, which later in 1940 passed to “doña María Cantú Treviño de Llaguno” and sons, and then in 1976 was sold to Grupo Alfa. The author points out the various stages of the factory and concludes evoking a past that is worth rescuing. KEYWORDS Fabrica textil “La Leona”, pioneering companies, local history, San Pedro Garza García, Llaguno Group. INTRODUCCION A lo largo de la historia, los municipios de Santa Catarina y San Pedro han vivido muchos acontecimientos en común. El río Santa Catarina los une por su costado sur, además de tener una amplia colindancia por el norte hasta el cerro de Las Mitras y por el poniente en la salida a Saltillo y varios puntos hasta el mismo cerro, más la relación que sus gentes han establecido a lo largo del tiempo, vinculando familias, barrios, colonias y calles. 48 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �La Fábrica de hilados y tejidos “La Leona”, 1874-1976 / José Roberto Mendirichaga Fig. 1. La Vieja Leona, a finales del siglo XIX o principios del XX. Foto: Archivo Llaguno. Fig. 2. Plano figurativo mostrando la ubicación de La Leona hacia 1967. Dibujo: Fernando R. Casasús Delgado. La ‘Fábrica de Hilados y Tejidos La Leona’, figura 1, tiene un lejano origen. Escribe el historiador económico Isidro Vizcaya Canales: “En 1874, dos años después de fundado El Porvenir, establecieron los señores Roberto Law y Andrés Martínez Cárdenas la fábrica La Leona, en jurisdicción en lo que hoy es el municipio de Garza García”. Y agrega: “La Leona tenía una inversión de $127,800, consumía de mil doscientos a mil quinientos quintales de algodón y producía de quince mil a veinte mil piezas al año. Ocupaba cien operarios, que ganaban tres o cuatro reales al día”.1 Roberto Law [1824-1916] era un ingeniero textil irlandés y Andrés Martínez Cárdenas, un inversionista neoleonés, de familias de Villa de Santiago pero ya asentado en Monterrey. Su hermana, Carlota Martínez Cárdenas, se casó con Víctor Rivero Gajá, de la fábrica ‘El Porvenir’ en El Cercado, municipio de Santiago.2 Acerca de Law tenemos más información que de Martínez Cárdenas. Antonio Guerrero Aguilar, cronista de Santa Catarina, señala que el industrial Law nació en Irlanda, el 27 de mayo de 1824; que fue cofundador de la Fábrica de Hilados y Tejidos de ‘La Leona’; que “de igual forma promovió la apertura de la factoría El Blanqueo, de La Fama” (hoy museo del mismo nombre); que era representante legal del norteamericano de origen irlandés Ezequiel Steel, quien igualmente fue socio de La Leona; y que Law murió en Santa Catarina el 22 de junio de 1916. Sus restos descansan en el Panteón San Juan y su sepultura tiene un monumento en mármol realizado por el escultor Antonio Decanini.3 El poblado de la Leona, figura 2, había sido la antigua hacienda de San Antonio. Las casas de los trabajadores estaban alrededor de la empresa textil. Escribe también el mismo Vizcaya Canales: La Leona fue adquirida en el año de 1899 por la firma Manuel Cantú Treviño Hnos. Sucs. El año de 1909 […] daba trabajo a cincuenta obreros. Disponía, de igual modo que las empresas anteriores, de casas para todos sus obreros.4 Este dato proporcionado por Vizcaya Canales establece que al iniciar el siglo XX la fábrica había reducido a la mitad el número de sus trabajadores. Pero el hecho es que la fábrica de ‘La Leona’ continuó trabajando y produciendo telas que se vendían en la región y en toda la república. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 MAS DATOS ACERCA DE LA VIEJA PLANTA Javier Rojas Sandoval, en su ya clásico texto de Fábricas pioneras de la industria en Nuevo León, escribe: La fábrica textil La Leona se fundó en 1874, en un lugar cercano a La Fama. Prácticamente ambas fábricas han sido vecinas. En un principio y por mucho tiempo compartieron el mismo acueducto. Sin embargo, los principales empresarios fundadores de La Leona no fueron los mismos que participaron como accionistas en las otras plantas textiles. Desde el punto de vista de la tecnología, puede observarse que los telares de La Fama y El Porvenir provenían de Inglaterra; otra parte del equipo fue adquirido en Estados Unidos. En los tiempos de la fundación la maquinaria era moderna. Tanto La Fama como El Porvenir y La Leona dieron origen al establecimiento de comunidades 49 �La Fábrica de hilados y tejidos “La Leona”, 1874-1976 / José Roberto Mendirichaga habitadas por los trabajadores y sus familias, que desarrollaron una cultura vinculada con las actividades de las fábricas, expresándose, entre otras, en la fundación de asociaciones mutualistas y luego sindicales, así como en escuelas, iglesias, centros deportivos, periódicos y revistas.5 Ya en el desarrollo del tema, el historiador Rojas Sandoval va explicando de qué manera fue consolidándose La Leona. Allí expresa que, según el educador Pablo Livas, en su trabajo titulado El Estado de Nuevo León. Su situación económica al aproximarse el Centenario de la Independencia de México (Monterrey, 1909, p. 49), “en sus comienzos, la fábrica sólo elaboraba mantas de algodón; con el tiempo produjo telas de color, cantones y mezclillas”.6 Igualmente, que Manuel Cantú Treviño (1860), figura 3, nuevo propietario de ‘La Leona’, “amplió los negocios que tenía con la casa comercial Sorpresa y Primavera”;7 figura 4, que “en 1913 murió Manuel Cantú Treviño y la fábrica fue adquirida por Florentino Cantú Treviño, hermano del primero”; que el mismo Livas, en su crónica citada, “escribe que para 1909 había en la fábrica 3,296 husos y 150 telares […], todo movido por una turbina hidráulica de cuarenta caballos de fuerza e ingenios de vapor que desarrollaban otra fuerza igual a la de la turbina”; que “contaba […] con 56 cuartos para habitaciones de obreros y sostenía una escuela gratuita a la que concurrían de treinta a cuarenta niños”; y que “si se hace una comparación con La Fama y El Porvenir, La Leona producía casi la misma cantidad global que La Fama”.8 Fig. 3. Don Manuel Cantú Treviño fue quien dio el segundo impulso a La Leona. Foto: Archivo Llaguno. 50 Fig. 4. El Almacén ‘Sorpresa y Primavera’, en la céntrica calle de Morelos, presa del fuego en 1926. Foto: Archivo Llaguno. Continuando con lo escrito por Rojas Sandoval, “[…] La Leona tenía una situación en la que se aplicaba el reglamento de trabajo aprobado por la Convención de 1912”, siendo higiénicas las condiciones laborales; además, había servicio médico con cargo a la gerencia y se proporcionaba a los trabajadores vivienda con renta de cincuenta centavos semanales, “exceptuando a los obreros antiguos”.9 Otros aspectos abordados por el autor en el citado libro aluden a la demografía del poblado de La Leona, al problema del agua, al asunto de los impuestos disputados entre Monterrey y Santa Catarina, y a la nueva administración a partir de la adquisición de don Jesús J. Llaguno, del inicio de los cuarenta hasta su venta y absorción por otro grupo industrial.10 EL POBLADO DE LA LEONA EN SAN PEDRO Desarrollemos un poco lo que apunta Rojas Sandoval en torno a la cultura industrial y social, y vayamos a lo que representaba un poblado sampetrino que llegó a tener una considerable demografía, dentro de las cuatro secciones que conformaban el municipio de San Pedro. Quien escribe llegó a conocer la entrada a la vieja planta de ‘La Leona’, el pequeño poblado casi colindante con La Fama y la estación de ferrocarril que llevaba el nombre del poblado y de la factoría. Al inicio de los años sesenta del pasado siglo, allí Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �La Fábrica de hilados y tejidos “La Leona”, 1874-1976 / José Roberto Mendirichaga se detenía brevemente el ferrocarril México-Laredo, para dejar o recoger pasajeros y mercancía, ésta que se transportaba en el carro Express.11 Tomás Mendirichaga Cueva, en su libro sobre el Municipio de San Pedro, señala que esta estación ferroviaria fue costeada de su propio peculio por Florentino Cantú Treviño [1877-1937] en 1919.12 Es el mismo Mendirichaga Cueva quien sostiene que en 1878, de acuerdo a una lista de los vecinos de San Pedro, “[…] 65 personas sabían leer y escribir”. En su mayor parte eran labradores y jornaleros, y en la lista figuraban seis comerciantes. La Leona y los molinos de ‘Jesús María’ correspondían a la primera sección del Municipio. Las otras tres secciones eran: del río hasta el callejón de Enmedio o de Siller; del callejón de Enmedio hasta el Sendero o Santa Engracia; y desde el citado Sendero hasta San Agustín y parte de Las Boquillas.13 La población de La Leona en 1885 era de 330 personas (todo el Municipio tenía 1,295 personas y alrededor del molino de ‘Jesús María’ vivían otras 41 personas). El antes citado investigador histórico apunta que el municipio de San Pedro Garza García registró demográficamente a 1,500 habitantes en 1888; 2,324, en 1895; 1,750, en 1910; 1,838, en 1921; 2,082, en 1930; y 5,228, en 1950.14 Causa asombro, pues, el crecimiento de la actual población de San Pedro (aproximadamente 110,000 habitantes) y del Monterrey Metropolitano (aproximadamente 4’000,000 de habitantes), la mayor parte de la cual proviene de otras entidades del país. Habría que señalar que, por muchos años, aparte de las Escuelas de Niños y Niñas en el casco de San Pedro, a una cuadra de la plaza principal, y de una escuela que había en el poblado de La Fama, existía una escuela también en La Leona, de la que da cuenta el mismo Mendirichaga Cueva.15 Ésta fue la que se llamó “Artículo 123” hasta la década de los cuarenta del pasado siglo. Falta investigar más lo relativo al sindicato en la fábrica de La Leona: en qué medida influyó en esta cultura laboral dentro de la comunidad del mismo nombre. Existe un poco más de información sobre los equipos deportivos que se promovieron entre los obreros y oficinistas de la factoría, juntamente con sus familias. Pero hay una serie de aspectos socioculturales, como los religiosos y los de la ocupación Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 del tiempo libre, que pueden ser abordados por otros investigadores. Otro aspecto que debe seguirse estudiando, en nuestro concepto, es el relativo al agua y el acueducto, figura 5, a lo largo del tiempo y, junto con ello, lo relacionado a la arquitectura industrial, donde faltó conciencia del valor de esta construcción centenaria para haberla conservado íntegramente. Volvamos con Rojas Sandoval, quien en la primera parte de su artículo en la revista Ingenierías relativo al mismo tema, establece: Con el fin de aprovechar industrialmente el agua, se construyó un acueducto elevado, que según mediciones recientes (Julio César Méndez) era de alrededor de 455 metros, pero según Antonio Guerrero era de 900 metros de longitud, el cual condujo el agua durante 96 años (de 1854 a 1950) desde el Paso del Aguila hasta el interior de la fábrica textil. El acueducto fue derribado en 1970 para dar paso a la ampliación de la calle Juárez, en la que fuera en otros tiempos Congregación de La Fama, N.L.16 Fig. 5. Vestigios del acueducto, 2012. Foto: Julio César Méndez. UNA REFORMADA LEONA Continuó trabajando la planta de La Leona bajo el timón de don Florentino Cantú Treviño. A tres años de la muerte de éste, en 1940, Cantú Treviño Hnos. Sucs. compra la Fábrica de Hilados y Tejidos ‘La Leona’ a doña Isabel Pérez de Cantú Treviño. La empresa cambia de nombre a Textiles del Norte, S.A. Auxiliaron a Jesús J. Llaguno17 en esta transformación, particularmente su hermano José 51 �La Fábrica de hilados y tejidos “La Leona”, 1874-1976 / José Roberto Mendirichaga Fig. 6. Don Jesús Llaguno Cantú (1900-1987) fue la bujía que desarrolló al Grupo Llaguno. Foto: Archivo Llaguno. Llaguno Cantú, figura 6, Luis Rivero Arechavala y Octavio A. Herrera Moreno. De este último personaje hay que leer sus poemas “La Leona” y “Centenario”, los que aportan mucho de lo sucedido en esa planta fabril y en la comunidad del mismo nombre.18 Quien escribe se mantenía muy alejado de esta historia fabril regiomontana. Pero cuando la familia Llaguno Farías solicitó realizara la biografía de sus padres, pude asomarme bastante a esta realidad económica y social.19 En este trabajo, desde luego el aspecto humano es el central, pero resulta ser complementario el aspecto económico y empresarial, que se dio de manera constante por todos y cada uno de los miembros de esta familia. Por tanto, me dedicaré aquí a destacar aquellos aspectos que se refieren a la planta de La Leona bajo el liderazgo de don Jesús J. Llaguno. Convendría señalar en este punto el estilo empresarial familiar que eligió y sostuvo esta familia desde el inicio hasta la venta de las empresas del Grupo en 1976, un siglo de esfuerzo fabril, comercial, bancario y financiero. A la temprana muerte de José Saturnino Llaguno Serna en 1907, esposo de doña María Cantú Treviño de Llaguno, madre de cinco hijos: Jesús, Juanita, José, Teresa y Consuelo─, figura 7, los pequeños sintieron el cobijo familiar de su madre doña María y de sus tíos Luz, Manuel, Estanislada y Florentino. Cuantas actividades emprendían eran en común; respetaban siempre el liderazgo de la madre y del hijo primogénito. 52 Fig. 7. Los hermanos Llaguno Cantú, 1911: Teresa y José (sentados) y Juanita, Consuelo y Jesús (de pie). Foto: Archivo Llaguno. Los hijos varones de María Cantú Treviño de Llaguno estudiaron en el extranjero. Jesús fue a la Classon Point Military Academy, de Nueva York, y a la Peirce School, de Filadelfia, para graduarse como contador privado; y José hizo una larga carrera titulándose como ingeniero textil en Manchester y Barcelona. En los negocios de la familia siempre caminaron juntos estos dos hermanos, al igual que con sus hermanas Juanita (soltera), Teresa (casada con don Justo Odriozola) y Consuelo (casada con don Enrique Domene). Una obra educativa a cargo de la familia, con la señorita Juanita Llaguno Cantú a la cabeza, figura 8, fue el colegio ‘María Cantú Treviño’, figura 9, en la casa de ladrillo rojo, hoy propiedad del Grupo Alfa. Durante 23 años funcionó la citada institución educativa. Más de mil alumnos pasaron por sus aulas. Las viviendas más próximas a este colegio eran las de los obreros de La Leona.20 La Vieja Leona fue transformada paulatinamente al inicio de los años cuarenta del pasado siglo, ver figuras 9, 10, 11, 12 ,13 y 14, en Textiles del Norte, S.A., renovando parte de la maquinaria y el equipo original. En 1947 se fundó Hilados del Norte, S.A., fábrica de hilatura en las mismas instalaciones de La Leona. En 1948, también en el mismo espacio, se creó Acabados Monterrey, Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �La Fábrica de hilados y tejidos “La Leona”, 1874-1976 / José Roberto Mendirichaga Fig. 8. La profesora Juanita Llaguno Cantú impulsó y sostuvo el Colegio ‘Cantú Treviño’, del que egresaron cientos de escolares. Foto: Archivo Llaguno. S.A., en la Ciudad de México, que luego cambia de nombre a Fantel, S.A., prendas de punto para dama y caballero; en 1958, la empresa de vanguardia Nylon de México, S.A., para la fabricación de fibras sintéticas, primer negocio con accionistas no familiares; en 1962, asociados con DuPont, Policrón de México, S.A., para la fabricación de fibra corta de poliéster; en 1970 se compra el control de Polioles, S.A., en Lerma, Estado de México, para la producción de materias primas en la elaboración del poliéster; y en 1974 se fusionan Nylon de México y Policrón de México.22 Estaba próximo el final del Grupo Llaguno. Éste llegaría con un excesivo endeudamiento en dólares para la adquisición de nuevos negocios ligados a la fibra artificial, producto de la crisis del momento, más el afán de mantener unas viejas instalaciones, las de La Leona, y para no desemplear a la gente que allí había laborado por generaciones. Errores administrativos pero, sobre todo, intransigencia Fig. 9. Maestros y alumnos del Colegio ‘Cantú Treviño’ c. 1947, en la casa de ladrillo rojo. Foto: Archivo Llaguno. Fig. 10. Oficinas del Grupo Llaguno. Foto: Archivo S.A., para el teñido de hilos y telas. En 1956 se trasladaron las máquinas de Industrias Textiles, S.A., dedicadas a la fabricación de hilo de bonetería para tejido de punto, las que estaban en la parte posterior de la residencia familiar de Hidalgo, entre Cuauhtémoc y Garibaldi, en el centro de Monterrey, a las instalaciones de la Leona reformada. Y en 1957, diez años más tarde, nació Leona Textil, S.A., con nueva maquinaria y procesos para la fabricación de telas.21 Continuando en esta dinámica de crecimiento y modernización en el ramo textil y del vestido, los hermanos Llaguno Cantú, bajo el liderazgo de don Jesús J. Llaguno, iniciaron en 1955 Confecciones LeMont, S.A., fábrica de camisas; en 1955, RyL, Fig. 11. Una panorámica c. 1960, donde se aprecian las empresas del Grupo Llaguno; al fondo, la imponente Huasteca. Foto: Archivo Llaguno. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 53 �La Fábrica de hilados y tejidos “La Leona”, 1874-1976 / José Roberto Mendirichaga Fig. 12. Otra panorámica del Grupo. Foto: Archivo Llaguno. gubernamental, que exigió de manera inmediata el pago de los adeudos fiscales, hicieron que las empresas de la familia Llaguno y todos sus bienes raíces fueran vendidos. Don Jesús pidió tiempo al gobierno y no se le concedió.23 Así, la quiebra incluyó no sólo las plantas fabriles, el banco y otras empresas en las que las familia Llaguno contaba con participación, sino hasta el desprendimiento de una tercera parte de las acciones de Ladrillera Monterrey que tenía en lo personal don Jesús J. Llaguno, más todos los bienes raíces de la familia, incluida la colonia Santa María, de uno y otro lado de la salida a Saltillo. El Grupo Alfa compró todas las empresas del Grupo Llaguno, vendiendo después algunas de ellas, las que utilizaron parte de la maquinaria antigua y luego se fueron innovando hasta el momento actual. A MANERA DE EPILOGO Deseo cerrar el tema con estos versos del poeta Octavio Herrera Moreno, que corresponden al poema “La Leona”: Fig. 13. Fachada de la planta de Nylon de México en 1960. Foto: Archivo Llaguno. Fig. 14. La planta Nylon de México, c. 1972. 54 Al pie de dos montañas majestuosas / Y sobre el plano marginal del río / Que puebla el multiforme caserío, / Tuvo asiento la Historia de estas cosas / Que hoy rememora el pensamiento mío.// Es una Historia de perfiles gratos / Que gira alrededor de esta Casona;/ Ha veinte lustros, que el recuerdo abona, / Lanzó al aire el pregón de sus silbatos / La legendaria Fábrica ‘La Leona’.24 ¿De qué manera sintetizar lo alcanzado por esta factoría textil pionera? Al señalar que se realizó un arranque con no pocas dificultades, las que fueron superadas en base a ingenio y esfuerzo obrero, técnico y empresarial; que la fábrica de La Leona supo posicionarse en un sitio importante dentro del contexto regional productivo; que renovó maquinaria, equipo y procesos; que a mediados del siglo XX dio un tercer impulso significativo; y que su declive y final lo marcaron el paso de la fibra natural a la sintética, a la vez que la incapacidad empresarial para hacer nuevas inversiones en la planta, producto de la crisis imperante y del endeudamiento familiar. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �La Fábrica de hilados y tejidos “La Leona”, 1874-1976 / José Roberto Mendirichaga NOTAS 1. Isidro Vizcaya Canales. Los orígenes de la industrialización de Monterrey, ed. cit., pp. 39 y 40. Un quintal equivale a 46 kg.; y cuatro reales, a un peso de la época. Era el salario diario. Como un referente a lo anterior, escriben Tomás y Rodrigo Mendirichaga en El inmigrante. Vida y obra de Valentín Rivero acerca de El Porvenir, en El Cercado: “Desde mediados de octubre de 1873 hasta fines de enero de 1874 se habían comprado 215 pacas de algodón, con un costo de 18 mil 549 pesos 6 centavos. La ‘raya’ o salario semanal que la fábrica pagó a los operarios desde principios de enero hasta fines de febrero de 1874 fue aumentando de 77 pesos 78 centavos a 135 pesos 56 centavos. En aquellos dos meses se pagaron en total 786 pesos 5 centavos por concepto de salarios”, op. cit, p. 162. 2. El historiador Tomás Mendirichaga Cueva señala que la casa familiar de los Martínez Cárdenas estaba ubicada por la calle de Bolívar, actual Padre Mier, entre Pino Suárez y Rayón. De acuerdo al mismo historiador, esta familia poseía cuantiosos bienes raíces y realizaba muchos negocios comerciales en Monterrey y la región (entrevista telefónica de VIII-30-11). 3. Ver: Santa Catarina y sus gentes, diccionario biográfico de Antonio Guerrero Aguilar, p. 27. Descendientes de don Roberto Law son los Serrato Ayala, que viven en la colonia López Mateos de Santa Catarina. En la conferencia que quien escribe dictó sobre el tema el 5 de septiembre de 2011 en la Casa de la Cultura de La Fama, dentro del ciclo “Lunes de la Crónica” del Consejo Promotor del Arte y la Cultura de Santa Catarina, A.C., algunos de los asistentes confirmaron el dato de los Serrato Ayala, descendientes de Law. 4. Vizcaya Canales, op. cit., p. 92. 5. Javier Rojas Sandoval, Fábricas pioneras de la industria en Nuevo León, ed. cit., pp. 56-57. 6. Ibid., p. 85. 7. Ibid., p. 86. Don Manuel Cantú Treviño merece una amplia biografía, en razón de sus aportaciones a la comunidad y a la importancia en el empleo de mano de obra masculina y femenina en la región. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Un dato que a veces pasa desapercibido es que estuvo casado con Octavia Rivero Fernández, hija de Valentín Rivero Gajá, de ‘El Porvenir’. Al morir Cantú Treviño, su viuda ingresó a la Congregación de La Cruz. Ver: Javier Sicilia, Concepción Cabrera de Armida, la amante de Cristo, p. 506. Actualmente, el historiador Fernando R. Casasús Delgado trabaja en una biografía de Manuel Cantú Treviño. 8. Fábricas pioneras […], ed. cit., p. 87. Rojas Sandoval, basándose en estadísticas de Tomás Mendirichaga y Oscar Flores, elabora a partir de estas páginas y en las sucesivas unos útiles cuadros sinópticos acerca de situación de la fábrica en 1913, producción de las tres plantas textiles en ese año, estadísticas de las mismas, y población de San Pedro Garza García y localidades vecinas. 9. Ibid., p. 88. Otros historiadores y cronistas que se han ocupado de ‘La Leona’ han sido: Mario Cerutti, Rodrigo Mendirichaga, Oscar Flores, Carlos González Rodríguez, Antonio Guerrero Aguilar y Daniel Sifuentes Espinosa. 10. Ibid., pp. 89-92. Para mayor información, véase también el artículo del mismo Rojas Sandoval titulado “Fábricas pioneras de la industria textil de Nuevo León, México”, publicado en dos partes en la revista Ingenierías de la UANL, Vol. XIII, Núms. 46 (pp. 47-56) y 47 (pp. 45-54), de Enero-Marzo de 2010 y Abril-Junio 2010, respectivamente. 11. El Seminario Arquidiocesano de Monterrey, en la década de los sesenta del pasado siglo, utilizaba esta estación para dejar o recoger cajas conteniendo ropa y otros artículos, libros, calzado deportivo y balones de fútbol soccer procedentes de La Piedad, Michoacán. 12. Tomás Mendirichaga Cueva, El municipio de Garza García, 1596-1982, ed. cit., p. 77. 13. Mendirichaga Cueva, op. cit., p. 53. 14. Ibid., pp. 62, 66, 68, 72, 78, 84 y 90. 15. Ibid., p. 81. Tal escuela la consigna Mendirichaga Cueva en 1924, lo cual no significa que no pueda ser anterior a esta fecha. Posiblemente ésta funcionó hasta los años cuarenta, en que la familia Llaguno Cantú, con el apoyo de la Srita. Juanita 55 �La Fábrica de hilados y tejidos “La Leona”, 1874-1976 / José Roberto Mendirichaga Llaguno, fundó el colegio ‘María Cantú Treviño’, el que operó hasta finales de los sesenta del pasado siglo. Ver: Jesús y Vique Llaguno, una pareja inolvidable, de quien escribe, pp. 133-136. 16. Rojas Sandoval, “Fábricas pioneras de la industria textil de Nuevo León, México”, parte I, Ingenierías, Vol. XIII, Enero-Marzo 2010, Núm. 46, p. 48. Aunque la cita se refiera a La Fama, es aplicable también a La Leona, donde esa parte final del acueducto fue sacrificada para dar espacio a las nuevas oficinas e instalaciones del Grupo Llaguno. Hay que precisar que el acueducto se conserva aún en algunos pocos tramos, dentro de las instalaciones fabriles de las empresas que continuaron operando en esta zona de los municipios de Santa Catarina y San Pedro. En el libro Santa Catarina. Síntesis de su patrimonio histórico, cultural y natural (Ayuntamiento de Santa Catarina, 2011), el mismo Guerrero Aguilar corrigió su estimación y coincidió con Julio César Méndez y Francisco Sepúlveda García acerca de que el citado acueducto-atarjea mide 460 metros. 17. De acuerdo al historiador Oscar Flores Torres, Jesús J. Llaguno fue “[…] el empresario más osado de la dinastía Cantú”. Ver: Los vascos en las regiones de México, siglos XVI al XX, de Amaya Garritz (Coord.), pp. 329-341. 18. Ver: Octavio Herrera Moreno, poemas, en Jesús y Vique Llaguno, ed. cit., pp. 180-185. 19. Me refiero al libro Jesús y Vique Llaguno, de Editorial Font, 2011. 20. En la ya citada conferencia de septiembre 5 de 2011 en La Fama, el público asistente recordó que a finales de los años cincuenta y atrás de las viejas casas de los obreros de La Leona, don Jesús J. Llaguno construyó la colonia nueva, para unas 30 familias más. 21. Hasta aquí hay ya una amplia nómina de ingenieros, técnicos, operarios y personal de oficina que colaboraron decididamente en este esfuerzo fabril. Ver: Jesús y Vique Llaguno […], pp. 204-206. 22. Ibid., pp. 207-208. 23. Tal es la opinión del C.P. Ramón Sepúlveda Véliz, de acuerdo a la entrevista concedida a quien escribe en 2009. 56 24. Poema del citado autor, de 1954. Estaría celebrando el anticipado centenario que el poeta avizorara y que ciertamente se dio veinte años después. Ver: Jesús y Vique Llaguno […], pp. 180-184. Octavio Herrera Moreno (19061959) fue un estrecho colaborador de la familia Llaguno Cantú en todas sus empresas. Poeta lírico, escribió también páginas en prosa, que quedaron registradas en los periódicos y revistas internos del Grupo Llaguno. BIBLIOGRAFÍA • Garritz, Amaya (Coord.). Los vascos en las regiones de México, siglos XVI al XX, UNAMMinisterio de Cultura del Gobierno VascoInstituto Vasco-Mexicano de Desarrollo, Tomo III, México, 1997. • Guerrero Aguilar, Antonio. Santa Catarina y sus gentes, diccionario biográfico, Consejo de la Crónica, Santa Catarina, 2006. • Mendirichaga, José Roberto. Jesús y Vique Llaguno, una pareja inolvidable, Segunda edición, Font-UDEM, Monterrey, 2011. • Mendirichaga, Tomás. El municipio de Garza García, 1596-1982, R. Ayuntamiento de Garza García, San Pedro, 1982. • Mendirichaga, Tomás y Rodrigo. El inmigrante. Vida y obra de Valentín Rivero, Emediciones, Monterrey, 1989. • Rojas Sandoval, Javier. Fábricas pioneras de la industria en Nuevo León, UANL-Pulsar-Conarte, Monterrey, 1997. • Rojas Sandoval, Javier. “Fábricas pioneras de la industria textil de Nuevo León, México”, Revista Ingenierías, Vol. XIII, Núms. 46 (Enero-Marzo de 2010, pp. 47-56) y 47 (Abril-Junio de 2010, pp. 45-54), UANL. • Sicilia, Javier. Concepción Cabrera de Armida, la amante de Cristo, FCE, México, 2001. • Vizcaya Canales, Isidro. Los orígenes de la industrialización de Monterrey, Col. La Historia en la Ciudad del Conocimiento, Fondo Editorial Nuevo León-ITESM, Monterrey, 2006. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital TaylorFourier Demetrio García AlmazánA, José Antonio De la O SernaB, Enrique Martínez MartínezA Centro Nacional de Control de Energía de la CFE. Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL jdelao@ieee.org A B RESUMEN En el presente trabajo se desarrolla una aplicación de la Transformada Digital de Taylor-Fourier (DTFT) en la evaluación de estabilidad de Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP). Se muestran las ecuaciones de análisis y síntesis de la DTFT, y se describen brevemente los diferenciadores máximamente lisos mediante descomposición de Taylor por mínimos cuadrados (LS) y el modelo de la señal utilizado bajo oscilaciones de potencia. Se lleva a cabo un análisis de Prony sobre una señal de diferencia angular obtenida en campo para evaluar la estabilidad del SEP que produce dicha señal. La DTFT se implementa en un algoritmo utilizado en relevadores digitales para la detección de oscilaciones de potencia y se evalúa si el comportamiento de la oscilación es estable o inestable. Se compara con el método de Prony tanto para evaluar el comportamiento de la oscilación, como para comprobar la factibilidad de su implementación en un relevador digital. PALABRAS CLAVE Estabilidad de SEP, oscilación de potencia, transformada digital de TaylorFourier. ABSTRACT The digital Taylor-Fourier transform (DTFT) is applied in the stability assessment of power systems. The analysis and synthesis equations of the DTFT are developed, and the maximally flat differentiators are illustrated. These ideal differentiators result from the Taylor approximation through least squares of the signal model under power oscillations. A Prony analysis is carried on the angular difference signal obtained in the field in a real power system in order to assess its stability. The DTFT is implemented in an algorithm used in a digital relay to detect power oscillations, and the stable-unstable behavior is assessed using a threshold. The results are compared with the Prony analysis to estimate the oscillation, as well as to demonstrate its feasibility in a digital relay. KEYWORDS Power systems stability, power oscillations, digital Taylor-Fourier transform Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 57 �Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital Taylor-Fourier / Demetrio García Almazán, et al. INTRODUCCIÓN Desde su invención, el fasor ha sido considerado como un concepto de estado estable. Esta afirmación es tomada en cuenta en muchos de los algoritmos de estimación fasorial de hoy en día. Sin embargo, cuando la señal presenta condiciones oscilatorias, la amplitud y fase de la misma presentan cambios en el tiempo. Este trabajo explora una aplicación de la Transformada Digital de Taylor-Fourier (DTFT) presentada en1 para la evaluación de estabilidad en Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) el cual, es un tema de especial importancia, debido a que la demanda de energía eléctrica se ha ido incrementando tanto por los descubrimientos tecnológicos como por el incremento de la población. Aquí se pretende prolongar el uso de la DTFT hasta el análisis de estabilidad, construyendo con las estimaciones fasoriales, estimaciones de la diferencia angular entre dos puntos del sistema y aplicando la DTFT en la frecuencia cero para estimar las primeras dos derivadas del ángulo que son cruciales para determinar la condición de inestabilidad del sistema de potencia. En los últimos años, los SEP han estado operando al límite de sus capacidades debido a que la demanda de energía eléctrica se ha incrementado considerablemente y la insfraestructura del sistema eléctrico ha permanecido resagada. Estos incrementos en la demanda de energía han dado lugar a oscilaciones en los SEP llevándolos a condiciones de estrés, esto a causa de que dichas oscilaciones restringen la cantidad de potencia que puede ser transferida a través de las líneas de interconexión, además de repercutir en la operación ecónomica del SEP. Si no se toman las acciones remediales necesarias, estas oscilaciones pueden provocar la separación del sistema o grandes apagones, por lo que es de gran importancia una temprana indicación para evitar la inestabilidad y prevenir cortes de energía mayores. La frecuencia del SEP está determinada por la velocidad angular de los generadores síncronos en el sistema. Cada excursión de la velocidad angular, es ocasionada por un desbalance entre potencia eléctrica y potencia mecánica en la flecha del generador. Se han hecho algunos trabajos que utilizan la frecuencia y su derivada como parámetros para calcular el déficit 58 de potencia e implementar esquemas de desconexión de carga. 2,3 Otros trabajos se han enfocado en enlazar mediciones fasoriales en tiempo real con el conocimiento preexistente obtenido de los resultados obtenidos mediante simulaciones en ordenador.46 Otros investigadores han propuesto estimar la envolvente compleja de la señal en condiciones de oscilación utilizando el análisis de Hilbert,7 sin embargo, dicho método requiere de algoritmos adicionales para reducir el error numérico y llevar a cabo su implementación. Otro trabajo utiliza el análisis modal mediante un método de Prony modificado8 buscando tomar acciones remediales para mitigar las oscilaciones pero es vulnerable a transiciones no lineales, las cuales aumentan el error. En la referencia9 se estiman la frecuencia y el amortiguamiento del espectro de la señal mediante un análisis de Fourier, así como la estimación de los eigenvalores y eigenvectores que se presentan durante los disturbios ocurridos en el sistema; el problema de dicho método es que requiere de un gran número de muestras para poder llevar a cabo la estimación. Existe otro trabajo10 que utiliza redes neuronales y funciones de base radial recurrente para estimar los ángulos y las velocidades angulares de los generadores, pero dichos estimados son imprecisos en condiciones inestables del sistema. Debido al incremento de cargas no lineales como los dispositivos de eléctronica de potencia, la contaminación armónica ha llegado a ser un problema serio. La estimación armónica en los SEP es muy importante, dado que las armónicas producen muchos efectos dañinos en la red,11,12 por lo que deben ser monitoreadas lo más preciso posible. Debido a esto, las condiciones de oscilación tienen un impacto no solo en la componente fundamental de la frecuencia, sino que también en los armónicos presentes en la red.13 Las oscilaciones de potencia conllevan una variación en amplitud, fase y frecuencia de las señales, las cuales pueden proporcionar información muy valiosa sobre la condición de operación del SEP. En aplicaciones tradicionales, las Unidades de Medición Fasorial (PMUs) se encargan de recabar dicha información y enviarla a los relevadores y centros de control. Con esta información es posible determinar si el SEP está al borde de la inestabilidad en tiempo real mediante el uso de sincrofasores.14,15 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital Taylor-Fourier / Demetrio García Almazán, et al. Esto es una gran ventaja, ya que la mayoría de los métodos para evaluar estabilidad son post-mortem o buscan predecir el comportamiento del sistema.16,17 La DTFT es una herramienta que puede llevar a cabo dicha tarea y se busca con ello mostrar una de las aplicaciones que puede tener dicho algoritmo en SEP. Es por ello, que con estos antecedentes sea posible generar una alarma para prevenir la separación del sistema eléctrico mediante los estimados obtenidos con la DTFT. El trabajo se organiza de la siguiente forma: En la siguiente sección se describirá el modelo de señal adoptado bajo oscilaciones de potencia y se da una descripción del algoritmo de la DTFT. También se da una breve mención del método de Prony, el cual se toma como referencia para evaluar la estabilidad del SEP, debido a que es un método que trabaja en una forma más directa con señales, así como la herramienta que se utilizará para llevar a cabo dicho análisis. Posteriormente, se describe el algoritmo de detección de oscilaciones de potencia sobre el cual se implementará la DTFT y se compararán con los resultados obtenidos mediante Prony en la evaluación de estabilidad. Finalmente, se exponen las conclusiones, las ventajas y limitaciones de este algoritmo. MODELO DE LA SEÑAL PARA OSCILACIONES DE POTENCIA Las técnicas de estimación fasorial normalmente asumen un modelo de señal sinusoidal con amplitud y fase constantes: T T s (t )= a0 c o s( 2π f1t +ϕ 0 ) , − ≤t ≤ (1) 2 2 con suposiciones de estado estable. Sin embargo, en oscilaciones de potencia las oscilaciones de amplitud y de fase pueden ser modeladas de una mejor forma por una señal pasabanda de la forma s (t )= a (t )c o s( 2π f1t +ϕ(t ) ) (2) donde a(t) es la amplitud y φ(t) es la fase de la señal s(t). Dichos parámetros son formas de onda reales. En una señal pasabanda, el contenido frecuencial está concentrado en una banda estrecha en la vecindad de la frecuencia fundamental, como en una oscilación de potencia. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 El modelo (2) puede ser escrito en forma exponencial de la siguiente manera 1 s (t )= ( p (t )e j 2 π f1t + p (t )e − j 2 π f1t ) 2 T T = ℜ{ p (t )e j 2 π f1t } , − ≤t ≤ (3) 2 2 donde p (t )= a (t )e jϕ ( t ) es la envolvente compleja de la señal pasabanda s(t) y es llamada fasor dinámico de la oscilación. Esta es una función compleja expresada en forma polar, donde a(t) y φ(t) son las modulaciones en amplitud y fase de s(t).18 Aproximación mediante la DTFT El modelo de fasor puede aproximarse en cada intervalo de tamaño T mediante un polinomio de Taylor de segundo orden T T p ( 2 ) (t )= p0 + p1t + p 2 t 2 , − ≤t ≤ (4) 2 2 alrededor del centro del intervalo t0. En (4), p0, p1 y p2 ∈ʗ y t∈R. Los coeficientes de la serie son las derivadas del fasor dinámico en el centro del intervalo: p0,=p(0), p1=p´(0) y p2=p´´(0)/2. Esto puede extenderse también a las demás componentes armónicas de la señal. Esta aproximación de Taylor extiende la transformada digital de Fourier (DFT) a la DTFT ya que se modulan los vectores de la matriz de Fourier con polinomios de Taylor de k-ésimo orden. Para este caso se utiliza un polinomio de orden k=3 aumentándola a C=k+1=4 ciclos ya que cada término de Taylor agrega una matriz de Fourier modulada a la matriz base, por lo que esta necesita ser aumentada verticalmente para evitar una matriz mal condicionada.19 Si L=CN es la longitud del intervalo de tiempo de observación de la DTFT en muestras, se define una matriz diagonal TL de LxL, que contiene la secuencia de enteros -L/2,...,L/2-1. Por lo que se tiene la siguiente ecuación de síntesis. 1 (5) xˆ 4 N = B 4 N Xˆ 4 N N donde B4N es la matriz de transformación y Xˆ 4 N es el vector que contiene los estimados de las derivadas del espectro de tiempo en el centro del intervalo de observación. La DTFT está dada por la solución de mínimos cuadrados: 59 �Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital Taylor-Fourier / Demetrio García Almazán, et al. Xˆ 4 N =(B 4HN B 4 N ) − 1 B 4HN x 4 N (6) donde (7) B † =(B 4HN B 4 N ) − 1 B 4HN es la matriz pseudoinversa, la cual contiene las respuestas impulsionales del banco de filtros alrededor de cada frecuencia armónica. Tal y como se muestra en la figura 1, estos filtros poseen ganancias ideales de diferenciación en un vecindario alrededor de una armónica h y ganancias lisas nulas alrededor de las demás frecuencias armónicas, lo cual indica la perfecta extracción de las derivadas en la frecuencia central y el completo rechazo de las componentes armónicas cuando la densidad espectral está circunscrita en esos intervalos.13 Cuando se busca llevar a cabo la estimación del espectro de la señal por un polinomio de Taylor de k-ésimo orden en ω=0 se obtienen solamente coeficientes reales en la matriz de transformación B, lo cual modifica la matriz de Gram obteniendo un ajuste simultáneo temporal y espectral del modelo de la señal a las de la señal de entrada respectivamente, adaptando las ganancias de sus derivadores a las respuestas en frecuencia de derivadores ideales junto a la frecuencia nula, produciendo filtros máximamente lisos en la banda base.20 La aproximación por mínimos cuadrados (LS) de un modelo de señal de Taylor, aproxima la primeras k derivadas del espectro de la ventana con los correspondientes polinomios de Taylor de Fig. 1. Respuesta en frecuencia del banco de filtros de la matriz pseudoinversa. 60 k-ésimo orden en ω=0. Las respuestas del banco de diferenciadores se construyen con combinaciones lineales del espectro de la ventana y sus derivadas. Esta respuesta es muy útil para evaluar su comportamiento en términos del contenido frecuencial de la señal y en particular su comportamiento ante el ruido. En la figura 2 se muestran las respuestas en frecuencia de los primeros tres diferenciadores obtenidos con el algoritmo LS, y órdenes progresivos de aproximación k=2, 4, 6 y 8. Note que las ganancias ideales de diferenciación son alcanzadas en la banda base, y que el ancho de banda aumenta con el orden de aproximación. Para un mismo diferenciador, los órdenes impares tienen la misma respuesta en frecuencia que el orden precedente par. Método de Prony El método de Prony fue desarrollado en 1795 en la École Polytechnique por le Baron de Prony. Este método fue introducido a aplicaciones de SEP en 1990 y se ha usado en estudios de transitorios y oscilaciones electromecánicas en sistemas de potencia.21 Además, es un método que trabaja en una forma más directa con señales proporcionando parámetros tales como: amplitud, frecuencia, fase y amortiguamiento; siendo estas las razones por las que se empleará como un método de referencia para nuestro estudio de estabilidad. Se puede encontrar más información sobre este método en las referencias 22,23. Fig. 2. Respuestas en frecuencia de diferenciadores obtenidos mediante LS con polinomios de Taylor de diferentes órdenes, k=2, 4, 6 y 8. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital Taylor-Fourier / Demetrio García Almazán, et al. Para llevar a cabo el estudio mediante Prony, se utilizó la herramienta Ringdown Analysis Tool (RAT) de MATLAB,24 el cual nos entrega, además de los parámetros antes mencionados, los diagramas de polos y ceros y la respuesta en el tiempo del sistema analizado, entre otras cosas más.25 CASO DE ESTUDIO En esta sección se llevará a cabo un estudio de estabilidad mediante el método de Prony a una señal de diferencia angular entre dos puntos del sistema eléctrico de un país norteamericano. La señal analizada, la cual posee una frecuencia de aproximadamente 0.09Hz y se muestra en la figura 3. Los resultados obtenidos mediante el análisis de Prony, se usarán como referencia para el análisis efectuado mediante el uso de la DTFT en la siguiente sección. Llevando a cabo un análisis mediante DTFT, se obtienen los armónicos que están presentes en dicha señal, así como sus derivadas. En este caso, se aplica la DTFT a la señal normalizada para que la componente de DC no sea de una magnitud tan grande que impida ver el valor de los demás componentes armónicos, de tal forma que los armónicos presentes en la señal puedan apreciarse. El contenido armónico de la señal se muestra en la figura 4 y con mayor detalle, en la figura 5. Como puede apreciarse en el detalle mostrado en la figura 5, existe una segunda armónica que tiene un valor grande cuando la oscilación es más fuerte, mientras que durante el resto de la oscilación posee un valor muy pequeño. Esta componente armónica, junto con la componente de DC y la fundamental, son las componentes que se harán presentes en los resultados del análisis de Prony, llevado a cabo mediante el RAT. Dada la forma irregular de la señal, esta se analiza en tres intervalos distintos: el primer intervalo, donde el incremento de la amplitud de la oscilación es suave; el segundo donde el incremento en la amplitud de la oscilación es más pronunciado y finalmente, el tercer intervalo donde se amortigua la señal. Esto, con el fin de obtener una buena estimación. Los parámetros de frecuencia, amortiguamiento, amplitud y fase de los modos obtenidos para esos tres intervalos mediante Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Fig. 3. Señal de diferencia angular a analizar. Fig. 4. Estimado armónico de la señal de diferencia angular. Fig. 5. Detalle del estimado armónico de la señal de diferencia angular. 61 �Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital Taylor-Fourier / Demetrio García Almazán, et al. el uso del RAT se muestran en las tablas I, II y III respectivamente; donde se puede ver que los modos presentes en la señal poseen frecuencias alrededor de la frecuencia fundamental de la señal, de su segunda armónica y de su componente de DC; además de las componentes frecuenciales originadas por el ruido. Como puede observarse en la tabla I, los valores de amortiguamiento (σ/2 ) inestables son muy pequeños, mientras que en la tabla II, dichos valores son mayores lo que provoca el gran incremento de la amplitud de la oscilación. En la tabla III, se tienen dos modos inestables con un valor de (σ/2 ) inestable muy pequeño, estos valores se presentan debido a las componentes de baja frecuencia y el ruido que contiene la señal, además de la fluctuación de la que es objeto. Estos resultados, servirán como referencia para llevar a cabo una comparación con los resultados obtenidos mediante la aplicación de la DTFT utilizando un algoritmo usado en relevadores digitales, lo cual se verá en la siguiente sección. Cabe mencionar que la DTFT requiere de muchos menos parámetros que los requeridos por el método de Prony para detectar situaciones de inestabilidad. Utilizando los modos de oscilación de las tablas anteriores, se obtiene el estimado de Prony para la señal de diferencia angular, el cual es mostrado en la figura 6 junto con la señal original para apreciar la precisión del estimado de Prony. Tabla. II. Modos de 276 a 315s de la señal de δ. ⎛ σ ⎞ ⎜ 2π ⎟ ⎝ ⎠ Modo Frecuencia (Hz) 1 0 0.000857 13.181167 0 2 0 -0.034608 2.155654 0 3 0.095446 -0.02557 4 0.191509 -0.020137 0.250499 -109.787112 5 0.095037 0.01146 Amplitud Fase ( ) 2.087563 177.614005 0.497172 -146.40167 Tabla. III. Modos de 316 a 438s de la señal de δ. ⎛ σ ⎞ ⎜ 2π ⎟ ⎝ ⎠ Modo Frecuencia (Hz) 1 0 -0.000034 18.113022 0 2 0 -0.030766 0.830064 180 3 0.071828 -0.012235 1.218225 -30.035962 4 0.088918 -0.022222 14.24176 115.085297 5 0.099997 6 0.164296 -0.009956 0.283968 -0.587095 7 0.18425 -0.004373 0.109919 -25.546018 8 0.206488 -0.003592 0.108179 -102.154816 9 0.0175 0.002763 0.112132 -138.828181 10 0.038706 0.001032 0.174277 -0.0016 Amplitud Fase ( ) 0.099514 122.031029 97.731734 Tabla. I. Modos de los primeros 275s de la señal de δ. Modo ⎛ σ ⎞ ⎜ 2π ⎟ ⎝ ⎠ Amplitud Fase (°) 1 0 0.000041 13.2247740 0 2 0.007776 -0.000742 0.63096 -110.044577 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 62 Frecuencia (Hz) 0.014839 0.081023 0.091686 0.104701 0.120496 0.185376 0.195223 0.208295 0.217382 0.09774 -0.000805 -0.002859 -0.001578 -0.000919 -0.003132 -0.000774 -0.003001 -0.000034 -0.000523 0.000962 0.551236 0.166958 0.254971 0.098818 0.102482 0.025274 0.04907 0.022325 0.023043 0.231554 -37.606561 170.64971 54.730393 -109.617844 -15.697306 -170.294103 11.024084 130.038795 -86.516272 -118.723731 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital Taylor-Fourier / Demetrio García Almazán, et al. otro disturbio, las potencias eléctrica y mecánica son diferentes. El exceso de potencia mecánica provoca que el rotor se acelere, dando origen a un par acelerante dado por: Pa = Pm − Pe (9) La relación entre el par acelerante y el movimiento de la máquina se obtiene diferenciando la energía cinética del rotor. Dando lugar así, a la ecuación de oscilación, la cual representa las oscilaciones en el ángulo del rotor δ durante los disturbios. ω ⎛ |E E | ⎛ ω ⎞ ⎞ �� δ = ⎜ 0 ⎟ Pa = 0 ⎜ Pm − 1 2 s i n δ ⎟ (10) 2 H 2 H X 0 ⎠ 0 ⎝ ⎠ ⎝ Fig. 6. Estimado de la señal δ mediante el método Prony. ALGORITMO DE DETECCIÓN DE OSCILACIONES DE POTENCIA En esta sección se presentan las bases teóricas de los criterios de estabilidad basados en la diferencia angular y sus primeras dos derivadas para construir un plano de fase que nos permita generar una alarma que indique cuando el SEP está operando en condiciones inestables y tomar acciones remediales necesarias para proteger el sistema. A diferencia de las estimaciones sugeridas en las referencias14,26,27 se aplicará la DTFT para obtener las estimaciones de las derivadas de la diferencia angular que nos permite vigilar el desempeño estable o inestable del SEP. Los resultados serán comparados con los obtenidos por el método de Prony. Las dinámicas de interés para la estabilidad del SEP dependen de las ecuaciones de energía mecánica para las máquinas, y de las ecuaciones de intercambio de potencia eléctrica para la red que interconecta las máquinas. La potencia eléctrica de transferencia para una máquina y un bus infinito está dada por: |E E | (8) Pe = 1 2 s i n δ X La potencia de transferencia viene de un primo motor como potencia mecánica, Pm. En condiciones de operación en estado estable, las potencias eléctrica y mecánica son iguales, despreciando las pérdidas de conversión de energía. La máxima potencia que se puede transferir se obtiene cuando δ= /2. 16,17 Sin embargo, cuando ocurren fallas, switcheo o cualquier Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Si se tiene un valor de equilibrio estable para δ, en δ= δ0, este debe ser el valor para el cual las potencias eléctrica y mecánica son iguales. Por lo que la potencia mecánica estaría dada para este caso como: |E E | Pm = 1 2 s i n δ 0 (11) X por lo que la ecuación de oscilación queda de la siguiente forma, la cual es análoga a la ecuación del péndulo sin amortiguamiento. �� δ = ω 2 (s i n δ −s i n δ) (12) n 0 donde ω 2n es el cuadrado de la frecuencia natural de oscilación del sistema: | E E |ω ω 2n = 1 2 0 (13) 2H 0 X En la figura 7, se muestra la intersección entre la curva dada por (8) y la línea de potencia mecánica Fig. 7. Característica potencia-ángulo para un sistema de una máquina. 63 �Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital Taylor-Fourier / Demetrio García Almazán, et al. en δ0. Dicho punto es un punto de equilibrio, ya que las potencias eléctrica y mecánica son iguales y es estable porque la aceleración produce una fuerza restauradora. Lo cual se comprueba con la ecuación (12), ya que si δ se incrementa desde su valor en estado estable δ0, provocando que sin δ se incremente por encima de sin δ0, resultando en aceleración negativa, la que compensa el disturbio original. Dada la simetría de la curva, se tiene otro punto de equilibrio después de los /2 radianes, el cual es inestable debido a que una pequeña �� δ causa que δ se incremente y la potencia eléctrica disminuya dejando una potencia acelerante en la red. Debido a la simetría de la curva, los puntos de equilibrio estable e inestable están en δ0 y -δ0 respectivamente. Considerando un retrato de fases del ángulo de potencia δ contra su primer derivada δ� y suponiendo que no hay amortiguamiento, la oscilación produce una trayectoria cerrada llamada centro. Sin embargo, si existe amortiguamiento en la oscilación, la trayectoria formada en el retrato de fases es una espiral que va hacia un nuevo punto de equilibrio que puede ser estable o inestable (foco estable o inestable). Estas trayectorias de los planos de fase están limitadas a cuando la amplitud de la oscilación es máxima y se mantiene constante. Detección de oscilaciones de potencia Las decisiones acerca de la recuperabilidad de una oscilación deben ser hechas en ángulos críticos de tal forma que las acciones de mejora de estabilidad puedan ser tomadas antes de que sea muy tarde y la separación del sistema, si es necesaria, se lleve a cabo en un ángulo seguro para los interruptores. Si la oscilación es declarada como recuperable, entonces se descarta el disparo de generación, y posiblemente la oscilación se relaje a un nuevo punto de equilibrio. De otro modo, si la oscilación es declarada no recuperable, entonces el relevador debe ordenar el disparo de generación. Con menos generación, la reactancia de la fuente en el lado de generación se incrementa, y el relevador debe reconocer la nueva configuración del sistema. Si la acción de disparo de generación es exitosa, entonces el sistema se recupera posicionándose en un nuevo punto de equilibrio. De lo contrario, 64 la próxima acción es proteger el sistema abriendo interruptores. La estabilidad no se puede evaluar solamente inspeccionando el ángulo y su razón de cambio, dado que no se conoce δ0, el nuevo ángulo de equilibrio. Debe tenerse en cuenta que las oscilaciones estables para este punto de equilibrio las trayectorias son convergentes, y las inestables son divergentes.28,29 Si no se conoce δ0, se debe considerar el comportamiento de las trayectorias de otras oscilaciones relacionadas a diferentes valores de δ0. Un plano de fases δ−δ� puede dar información de cuándo debe aplicarse la decisión de recuperabilidad, pero dicho plano no nos dice cómo decidir. A excepción de que δ� sobrepase el valor de 2ωn el cual es la tasa máxima de oscilación. Se necesita un criterio de decisión de estabilidad para aplicar en el instante mencionado previamente. Este algoritmo involucra a la diferencia angular, la frecuencia (primera derivada) y su aceleración (segunda derivada).14 Este método monitorea la frecuencia (Sfk) y su derivada (Afk) entre dos puntos de un sistema de potencia en intervalos constantes, comenzando el cálculo de Sfk y Afk cuando se cumplen ciertas condiciones de operación existentes. Sfk y Afk se pueden emplear combinándolos en un plano de fase. En estado estable Sfk y Afk son cero y (0,0) es el punto de operación. Cuando una fuente se separa del resto del SEP, Sfk y Afk toman un valor. La magnitud de cada uno puede impulsar la cantidad operativa en la región de operación de la característica OOST. Este algoritmo se implementa en los relevadores digitales que detectan oscilaciones de potencia.27 Los cálculos de los parámetros necesarios para establecer la condición de operación del sistema son los siguientes:14 δ k =V1RA en lge v a d o r 1 −V1RA en lge v a d o r 2 k k δ k −δ k −1 M Tasa 360 A f k =( S f k − S f k −1 )⋅M T a s a S fk = (14) (15) (16) donde: V1RA en lge v a d o r 1 es el ángulo del voltaje de secuencia k positiva del relevador 1 en el k-ésimo intervalo de procesamiento. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital Taylor-Fourier / Demetrio García Almazán, et al. V1RA en lge v a d o r 2 es el ángulo del voltaje de secuencia k positiva del relevador 2 en el k-ésimo intervalo de procesamiento. Sfk es la frecuencia de desplazamiento en el késimo intervalo de procesamiento. Afk es la aceleración en el k-ésimo intervalo de procesamiento. M Tasa e s l a t a s a d e m u e s t r e o d e l o s sincrofasores. Una característica Sfk vs Afk puede definir regiones en casos donde ocurren bajas y altas frecuencias simultáneamente con altas o bajas razones de cambio de frecuencia. En la figura 8 se muestra la característica empleada para la detección de oscilaciones inestables en las referencias14,27. Dicha característica, también será utilizada en la aplicación de la DTFT. La característica del elemento OOST en la figura 8 usa la ecuación (17) para definir la región inestable. Esta característica es desarrollada en la referencia26 e identifica oscilaciones inestables antes de que la condición OOS ocurra, dando lugar al esquema de protección del sistema para tomar acciones remediales inmediatas.27 A f k >7 8 P e n d i e n t e ⋅S f k + AD e s v (17) La ventaja de este algoritmo es que no se requiere saber los parámetros de la red del SEP ni la información acerca de la topología de la red para calcular la diferencia ángular, la frecuencia y su aceleración. Como se ha mencionado anteriormente, los parámetros de frecuencia y aceleración (segunda derivada) de la diferencia angular son indispensables para elaborar un retrato de fases y con ello determinar si el SEP presenta una operación estable o inestable. Por lo que se trabajará con la diferencia angular entre dos puntos del SEP, la cual se mostró en la figura 2 por lo que se usará a DTFT en lugar de las ecuaciones (14)-(16), las cuales ofrecen estimaciones susceptibles al ruido por estar basadas en ecuaciones en diferencias finitas. A diferencia de la sección anterior, donde la señal se normalizó para obtener sus componentes armónicas, la señal se utilizará tal y como es obtenida de los PMUs, es decir, sin restarle la media aritmetica ni normalizarla. Como esta señal ya es la diferencia angular, se utilizará el algoritmo de diferenciadores máximamente lisos mediante Taylor LS para estimar las primeras dos derivadas de la señal y así construir el retrato de fases. Dado que la señal presenta una segunda armónica, usa un polinomio de Taylor de orden k=4 para que sus componentes frecuenciales estén dentro de la banda de paso de los diferenciadores y la estimación de la señal como de sus derivadas sea más precisa. En la figura 9 se muestra el estimado de la señal usando un polinomio de Taylor de orden k=4 . Como puede observarse, el estimado es muy preciso y el ruido de la señal es atenuado por el filtro del diferenciador de orden 0. APLICACIÓN DE LA DTFT Fig. 8. Característica del elemento OOST que define la región de operación estable del sistema eléctrico de potencia. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Fig. 9. Estimado de la señal δ mediante descomposición de Taylor LS. 65 �Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital Taylor-Fourier / Demetrio García Almazán, et al. Tomando la ecuación (17) y asignándole valores de ADesv=±10 y 78Pendiente=-15 se establecen las regiones estables e inestables, obteniendo el retrato de fases mostrado en la figura 10. Como se puede observar en el retrato de fase, las oscilaciones producidas en la señal sobrepasan el margen de estabilidad puesto por el criterio usado en la referencia14, por lo que el sistema está operando en una condición de inestabilidad lo cual concuerda con lo observado en los modos de oscilación obtenidos mediante el método de Prony, los cuales fueron mostrados en las tablas I, II y III de la sección anterior. Tomando los primeros 315s de la señal se traza su retrato de fase y se observa la dinámica de la oscilación, la cual está dada por las flechas en la figura 11. La gráfica mostrada en el retrato de fase de la figura 10 es conocida como foco inestable ya que la trayectoria de la espiral es una trayectoria divergente indicando la inestabilidad de la oscilación. Esto coincide con los resultados obtenidos con Prony para los primeros dos intervalos y que fueron mostrados en las tablas I y II. Al tomar los últimos 123s de la señal y trazar su retrato de fase, se obtiene lo mostrado en la figura 12. La gráfica mostrada en el retrato de fases de la figura 12 es conocida como foco estable ya que su trayectoria, al contrario del foco inestable, es convergente indicando la estabilidad de la oscilación, la cual llega a un punto de equilibrio. Se puede apreciar en la figura que la espiral presenta partes de su trayectoria fuera del margen propuesto. Sin embargo, la trayectoria no está muy alejada del margen y termina por llegar a un punto de equilibrio dentro del mismo. Esto coincide con los resultados obtenidos mediante el método de Prony para este intervalo, donde también hay dos modos inestables, pero con valores de (σ/2 ) muy pequeños, y se llega a un punto de equilibrio estable. Estos resultados se muestran en la tabla III. CONCLUSIONES Se ha presentado una aplicación de la DTFT a la estabilidad de SEP, mediante un algoritmo que involucra la diferencia angular entre dos puntos del sistema y sus primeras dos derivadas utilizado en 66 Fig. 10. Plano de fase aceleración vs frecuencia de la señal δ. Fig. 11. Plano de fase de los primeros 315s de la oscilación. Fig. 12. Plano de fase de la parte amortiguada de la oscilación. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital Taylor-Fourier / Demetrio García Almazán, et al. algunos relevadores digitales. Así como también se vieron algunos resultados númericos obtenidos al efectuar estimaciones armónicas de una señal de campo real. Dichos resultados son útiles para establecer un orden adecuado del polinomio de Taylor que se usará en los diferenciadores máximamente lisos aplicados a la señal de ángulo. Estos resultados fueron comparados por los obtenidos usando el método de Prony, el cual se usó como referencia en el análisis de estabilidad del SEP dado que es un método que trabaja en una forma más directa con señales. La ventaja que proporciona el uso de la DTFT como estimador radica en la precisión lograda en los estimados tanto armónicos como fasoriales y es un algoritmo que puede utilizarse en la detección de oscilaciones estables e inestables ya que proporciona no solo un estimado de la amplitud y fase de la señal, sino que también proporciona muy buenos estimados de las derivadas de estos parámetros así como de la señal misma cuando se trabaja con diferenciadores máximamente lisos mediante Taylor LS en ω=0 a condición de que el espectro de la señal de entrada caiga bajo las ganancias de diferenciación ideales, estos estimados son más robustos al ruido si se les compara con los estimadores basados en ecuaciones de diferencias finitas. En particular los estimados de frecuencia instántanea bajo oscilaciones son bastante aproximados. Cabe mencionar que la DTFT presenta la limitante de un retraso de dos ciclos, por lo que no es un método aplicable a protecciones digitales, ya que los dispositivos de hoy en día llevan a cabo las estimaciones con un retraso de un ciclo.30 Sin embargo, se cuenta con otra alternativa la cual puede llevar a cabo estimaciones instantáneas.31 Otra limitante es que el error de los estimados se incrementa cuando hay discontinuidades o transitorios en el intervalo de observación. En este caso, el espectro de la señal se ensancha sobrepasando la banda frecuencial con las ganancias máximamente lisas. Dicha aplicación mostrada tiene la ventaja de que no se requiere conocer la configuración que posee el SEP. Los resultados obtenidos en la aplicación de la DTFT a este algoritmo coinciden con los resultados obtenidos mediante el método de Prony por lo que la aplicación de la DTFT representa una alternativa mucho más simple para detectar oscilaciones estables e inestables, esto debido a que depende solamente de las estimaciones de velocidad y aceleración de Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 la diferencia angular. La precisión de los estimados que se logran con la DTFT hace posible contar con una alarma confiable en el caso de que se presente una oscilación inestable en el SEP. REFERENCIAS 1. M. A. Platas and J. de la O, Dynamic Harmonic Analysis Through Taylor-Fourier Transform, IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement. Vol. 60 No. 6, March 2011, pp. 804-813. 2. P. M. Anderson, M. Mirheydar. An Adaptive Method for Setting Underfrequency LoadShedding Relays, IEEE Trans. on Power Systems. Vol. 7 No. 2, May 1992, pp. 647-655. 3. U. Rudez, R. Mihalic. 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En esta correlación radica la importancia del problema de encontrar la estructura de mínima energía en cúmulos compuestos por unas pocas decenas de átomos, pues la determinación de estas estructuras optimizadas permite generar simulaciones computacionales y análisis teóricos más precisos. En este trabajo se implementó el método de algoritmos genéticos para encontrar la estructura de mínima energía bajo el potencial Sutton-Chen. Los resultados se comparan en efectividad y rapidez contra el método Monte Carlo de recocido simulado. PALABRAS CLAVE Inteligencia artificial, algoritmos genéticos, optimización, Sutton-Chen ABSTRACT The physical and chemical properties of metal nanostructures are strongly correlated with the geometric structure at atomic level. It is this correlation that gives importance to the problem of finding the minimum energy structure of clusters consisting of a few tens of atoms, because the determination of these optimized structures can generate computer simulations and theoretical analysis more accurate. A method of genetic algorithms to find the lowest energy structure in the Sutton-Chen potential was implemented in this work. The results were compared in effectiveness and speed against the Monte Carlo simulated annealing. KEYWORDS Artificial intelligence, genetic algorithms, optimization, Sutton-Chen. INTRODUCCIÓN El acomodo geométrico de los átomos que forman nanopartículas metálicas es uno de factores que determinan las características físicas y químicas de las partículas.1 Cuanto menor sea la cantidad de átomos que formen una partícula, las diferencias entre los isómeros cobran mayor importancia, por Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 69 �Optimización geométrica de nanoestructuras por el método de algoritmos genéticos / Enrique Guevara Chapa, et al. lo que contar con una estrategia para encontrar la geometría que tenga la menor energía potencial, es decir, la más estable, es de gran utilidad para los análisis teóricos y para el diseño de experimentos.2 Debido a que existen varias estructuras estables para cualquier cúmulo de átomos, encontrar la estructura óptima se clasifica como un problema NP-duro,3 lo que implica que el problema es nodeterminista, por lo que no tiene solución analítica. Bajo estas condiciones, es recomendable utilizar métodos de inteligencia artificial, como pueden ser algoritmos genéticos4 (AG). En este artículo se explicará el diseño de los algoritmos genéticos para encontrar las estructuras geométricas óptimas de las cúmulos monometálicos, utilizando el potencial de Sutton-Chen para modelar las fuerzas interatómicas. CARÁCTERÍSTICAS DE LA OPTIMIZACIÓN En este artículo se define la optimización de nanopartículas como la búsqueda de la estructura con la menor energía interna. Se trabajó con nanopartículas de 2 hasta 80 átomos de plata, a una temperatura de 0 K, es decir, sin considerar ningún efecto de dinámica molecular. Los potenciales atómicos se calcularon usando el modelo de Sutton y Chen para metales. El modelo de Sutton-Chen es un potencial semiempírico, que ha sido ampliamente utilizado para predecir la energía y configuraciones en cúmulos de metales nobles, especialmente de oro y plata.2 La ecuación que describe este modelo de potencial es1 n m N ⎡ N N ⎛ a ⎞ ⎛ a ⎞ ⎤⎥ 1 ⎢ −c U S C =ε ⎜r ⎟ 2 j=1; j≠i ⎜⎝ ri j ⎟⎠ i =1 ⎢ j =1; j ≠i ⎝ i j ⎠ ⎥ ⎣ ⎦ Aquí, n y m son enteros que cumplen la condición m>n, r{ij} es la distancia entre los átomos i y j, a es el parámetro de red para estructura fcc, c es una constante que se ajusta para determinar el punto de equilibrio y ε es una constante que permite trabajar la energía del sistema en unidades físicas. Estas constantes fueron establecidas en un principio para igualar curvas experimentales,1,5 aunque después se han ajustado siguiendo aproximaciones analíticas clásicas y cuánticas.6 Los valores utilizados para modelo de la plata son m=12, n=6, ε(eV)=2.5330×10-3, c=145.658 y a(Å)=4.0900. ∑ ∑ 70 ∑ I M P L E M E N TA C I Ó N D E A L G O R I T M O S GENÉTICOS Los algoritmos genéticos de búsqueda se basan en el principio de la teoría evolutiva biológica.7 Esta teoría explica cómo las especies van produciendo individuos con aptitudes cada vez mayores para sobrevivir en condiciones dadas. Bajo este principio se pueden resolver problemas físicos de optimización global. En AG cada individuo es una solución propuesta al problema dado y a través de la selección, reproducción y mutación se generan nuevos individuos, repitiendo el procedimiento hasta que se cumple un criterio de convergencia. Codificación En la naturaleza, las características propias de cada individuo están codificadas en sus genes. Estas características generan la aptitud del individuo para trasmitir sus genes a la siguiente generación. En los AG los genes serán los datos de la solución propuesta y la aptitud será un número real que indique la probabilidad que esta solución sea tomada en cuenta. En la optimización de nanopartículas los genes de cada solución son las posiciones relativas de cada átomo en la partícula y la aptitud será un número inversamente proporcional a la energía, pues las configuraciones con menor energía deben de tener mayor probabilidad de ser seleccionadas. Tamaño de población El primer paso del método AG consiste en generar una serie de estructuras aleatorias y relajarlas por un método de optimización local, con una cantidad fija de átomos. El conjunto de estas estructuras serán la población inicial del método y su número determinará cuantas soluciones habrá en cada generación. El método de optimización local utilizado para la relajación de las nanopartículas, es el método FIRE (Fast Inertial Relaxation Engine)8 debido a su rapidez y fácil implementación. Para buscar el tamaño de población ideal se utilizaron nanopartículas de 13, 19 y 38 átomos en plata. Se trabajó con esta cantidad de átomos debido a que las propiedades geométricas de estas nanopartículas son muy distintas.9 Se realizaron Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Optimización geométrica de nanoestructuras por el método de algoritmos genéticos / Enrique Guevara Chapa, et al. pruebas con poblaciones de 10, 20 y 40 individuos, con los mismos criterios de selección y mutación. Se encontró que para poblaciones de 40 el método convergía en menos de 50 generaciones en los sistemas de 13 y 19 átomos encontrando las configuraciones óptimas el 100% de las ocasiones, pero en la nanopartícula de 38 átomos sólo encontraba el mínimo global un 2% de las ocasiones en un promedio de 170 generaciones. Tanto con 10 y 20 individuos se obtuvieron resultados casi idénticos: las configuraciones de 13 y 19 átomos convergen en un promedio de 60 generaciones con una efectividad del 100% en localizar el mínimo global. En la configuración de 38 átomos se logra la convergencia en 230 generaciones con una efectividad del 14% para encontrar el mínimo global. Es por esto que para el diseño final se utilizó una población N=10. Selección Para seleccionar a los individuos de la generación que transmitirán sus genes, es decir a los padres de la siguiente generación, se utilizó la técnica de rueda de ruleta por pares. Esta técnica consiste en asignar una probabilidad de ser escogido a cada individuo en base a su aptitud y en función a esta probabilidad son seleccionados dos padres distintos. Este proceso se repite tantas veces como individuos existan en la próxima generación. La clave para el funcionamiento de este método es generar la aptitud de manera adecuada. La aptitud tiene que ser mayor entre más negativa sea la energía, pero si se define como el negativo de la energía, todas las nanopartículas tendrán prácticamente la misma probabilidad de ser seleccionadas dado que los rangos energéticos son de la misma magnitud. Para poder diferenciar claramente las mejores estructuras y asignarles una probabilidad significativamente mayor de ser escogidas se aumentó la presión selectiva. Esto se logra al elevar a una potencia el negativo de la energía. Se probaron 3 distintas potencias como presión selectiva y se graficaron las probabilidades de cada individuo como se muestra en la figura 1. En esta figura se ve claramente que una potencia de 4 no es suficiente para hacer una distinción significativa entre los niveles de energía y que una potencia de 8 provoca que dos nanopartículas ocupen el 90% de la ruleta, lo cual no es deseable. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Fig. 1. Probabilidades de cada estructura en una generación de ser seleccionado como padres. Las tres corridas son independientes para 20 estructuras de 19 átomos, con potencias distintas en cada corrida. Con la potencia de 6 se marca claramente cuáles son mejores nanopartículas, pero conserva la diversidad genética de la siguiente población. Después de la selección de cada uno de los padres, se reservó el último lugar para el individuo con mayor aptitud. De esta forma se garantiza que los mejores genes se transfieran a la siguiente generación. Al hacer este elitismo se vio una mejora considerable en la efectividad del método. Cruce Cuando los padres hayan sido seleccionados se buscó la forma de combinar los genes para la siguiente generación. Esto se logró al dividir cada una de las estructuras en dos y unir las partes de cada una, cuidando siempre que los hijos tengan la misma cantidad de átomos que los padres. Una vez unidas las partes, se relajan las estructuras y se obtiene un nuevo individuo. Con esta forma de realizar el cruce se pueden obtener dos hijos de dos padres y acelerar el proceso de crear una nueva generación. En la figura 2 se puede ver con exactitud como se realiza este cruce entre dos estructuras. Al hacer esta operación con todos los padres, se crea una nueva generación que debe de tener una aptitud promedio mejor que la anterior, aunque esto no garantiza que tenga individuos mejores y sólo si se usa elitismo se puede garantizar con absoluta certeza que siempre se tendrá a un individuo tan bueno como el mejor de la generación anterior. Mutación Debido a que en el cruce se realiza una relajación que reubica a todos los átomos, por lo que en cada cruce hay un factor de mutación implícito. Sin 71 �Optimización geométrica de nanoestructuras por el método de algoritmos genéticos / Enrique Guevara Chapa, et al. Fig. 2. Cruce entre dos estructuras de 19 átomos. Se pueden ver en 2(a) y 2(b) a los padres, en 2(c) y 2(d) se ve a los padres después del corte realizado. En 2(e) se muestra la unión de las dos partes, en 2(f) se ve que una de las partes realizó un giro sobre el plano de corte y en 2(g) se ve la estructura final relajada. embargo, esta mutación es muy pequeña y no altera la posición de los átomos lo suficiente como para modificar la geometría total de la nanopartícula, por lo que fue necesario agregar un factor de mutación externa. Esto se obtuvo al rotar sobre el plano de corte a una de las dos partes a unir y de esta forma conservar toda la información que se desea trasmitir y evitar que un gen dominante se trasmita en la misma posición durante muchas generaciones. Esta mutación hace que el número de pasos para encontrar el mínimo global en la estructura de 38 átomos, se reduzca a la mitad. Desestancamiento El último factor que se definió fue el criterio de convergencia y de desestancamiento. El criterio que se decidió implementar fue el siguiente: Si se generan 15 generaciones sin cambiar el mínimo, se cambiará el valor de la potencia que eleva la 72 Fig. 3. Diagrama de flujo de Algoritmos Genéticos. energía de 6 a 4; si el mínimo se conserva por otras 15 generaciones, se cambiará de nuevo el valor de la potencia de 4 a 2; si aún así se conserva el mínimo durante 15 generaciones más, se eliminará la mitad de las estructuras al azar y se introducirá el mismo número de estructuras nuevas, además de que se regresará la potencia a su valor original de 6. Este ciclo se repetirá hasta la tercera vez que se introduzca nueva población. En la figura 3 se puede ver un diagrama de flujo del funcionamiento de los algoritmos genéticos. Se eligió el criterio de 15 generaciones, pues el método converge muy rápido a un mínimo local estable y permanece ahí la mayoría de las veces. En las Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Optimización geométrica de nanoestructuras por el método de algoritmos genéticos / Enrique Guevara Chapa, et al. Fig. 4. Energía en cada generación con 19 átomos. corridas de prueba, sin usar el criterio de renovación que ya se mencionó, se encontró que cuando un mínimo para 38 átomos se conservaba durante 15 generaciones, ese mismo mínimo se mantenía durante 100 generaciones el 100% de las ocasiones y durante 200 generaciones el 90% de las veces. Cuando se introdujeron los criterios de renovación el mínimo se mantuvo un 95% después del primer cambio de la potencia reguladora de la presión selectiva, un 90% después del segundo cambio de la misma potencia y un 87% después del tercer cambio. Cuando se introducían las nuevas estructuras, se conseguían nuevos mínimos antes de 15 generaciones en un 50% de los casos. En la figura 4 se ve una corrida típica en la que disminuir la presión selectiva provoca que se salga de un estancamiento. Los pasos de selección, cruce y mutación, se repitieron de forma cíclica hasta que se cumpla un criterio de convergencia. RESULTADOS La versión final de los algoritmos genéticos es con una población de 10, selección por ruleta en pares, presión selectiva variable al elevar la energía a potencias de 6, 4 o 2 según se requiera y con la mitad de la población renovándose cada 45 pasos que el mínimo no cambie. En la figura 5 se ven las gráficas de tres corridas típicas para las distintas cantidades de átomos analizadas. Para todas las corridas se usó la versión R2011a de MATLAB en una PC genérica, con procesador Pentium Dual-Core de 2.70 GHz, 8 GB de RAM y sistema operativo Windows 7 profesional. Se intentó tener la memoria lo más limpia posible todo el tiempo y no correr nunca procesos en paralelo. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 Una vez definidas todas las variables de diseño de AG, se intentó resolver para todos los cúmulos de 2 a 80 átomos de plata. Estos resultados se compararon con los resultados de la corridas bajo las mismas condiciones por el método de Monte Carlo BH.10 Para comparar la efectividad de los métodos mencionados, se calculan 20 corridas independientes de cada uno de ellos y se obtiene la cantidad de veces que se encontró el mínimo global. Los resultados de esta comparación se muestran en el tabla I. La rapidez de los métodos se toma la cantidad de pasos totales en el método Monte Carlo BH y la cantidad de generaciones totales en algoritmos genéticos. La cantidad de pasos de Monte Carlo BH está fija en 1000 para cualquier cantidad de átomos. Calculando el número de operaciones promedio se puede ver que una generación de AG, con población de 10, Fig. 5. Energía en cada generación para 13, 19 y 38 átomos respectivamente. 73 �Optimización geométrica de nanoestructuras por el método de algoritmos genéticos / Enrique Guevara Chapa, et al. es lo mismo que 10 pasos de BH. Obviamente si los valores de la cantidad de pasos o el número de generaciones son modificados, el porcentaje de efectividad variará. Aunque no se realizó una búsqueda sistemática para encontrar la relación entre efectividad y número de pasos o generaciones, se ha visto que ésta no es una relación lineal y que depende del número de átomos involucrados. Tabla I. Comparación entre el método Monte Carlo BH y algoritmos genéticos MC-BH 74 AG N (%) Pasos (%) Generaciones 20 100 1000 100 117.4000 21 100 1000 100 115.5000 22 100 1000 100 119.4000 23 0 1000 15 147.1500 24 20 1000 5 160.7500 25 80 1000 15 158.2500 26 10 1000 30 146.4000 27 15 1000 10 143.5000 28 25 1000 5 150.5000 29 25 1000 5 167.7500 30 0 1000 0 148.4500 31 0 1000 25 154.4500 32 40 1000 40 160.3500 33 55 1000 15 181.9000 34 0 1000 20 177.7500 35 0 1000 0 163.5000 36 5 1000 0 168.8000 37 60 1000 30 175.3000 38 10 1000 20 168.6000 39 65 1000 10 178.3000 40 60 1000 20 193.2000 41 5 1000 0 189.1000 42 0 1000 0 200.4000 43 20 1000 10 195.3000 44 40 1000 15 178.6000 50 0 1000 0 180.7500 55 65 1000 55 206.9000 60 25 1000 40 242.0000 65 0 1000 0 255.1000 70 0 1000 0 241.3000 75 0 1000 0 190.8000 80 0 1000 0 210.5000 Para todas las estructuras de menos de 23 átomos, encontrar el mínimo global es prácticamente trivial para cualquiera de los dos métodos. Para 23 átomos hay un cambio abrupto en la efectividad de ambos métodos, pasando del 100% en 22 átomos a 0% para BH y 15% en AG, aumentando considerablemente la cantidad de generaciones promedio. En la comparación se nota con claridad que en la mayoría de los casos el método Monte Carlo BH es superior en efectividad a los algoritmos genéticos, además de superarlos en rapidez notablemente en todos los casos. Los casos en los que AG supera a BH en efectividad (N=23,26,31,34,38,60) son geometrías que no están basadas en icosaedros, aunque en geometrías con las mismas características (N=37,39) BH es claramente superior. De hecho no se notan cambios significativos en la efectividad de AG, sino una disminución notable de la efectividad de BH en estas estructuras. Un punto de coincidencia en ambos métodos es su comportamiento en estructuras mayores de 45 átomos, pues ninguno encuentra mínimos globales reportados excepto en sistemas de 55 y 60 átomos. CONCLUSIÓN Haciendo un análisis estructural para los resultados de algoritmos genéticos, se ve que los isómeros más comunes son combinaciones de icosaedros más pequeños, por lo regular de 13 átomos, apilados entre sí. Esta manera de acomodo de las partículas, a veces puede producir estructuras compactas y otras no tanto. Esto tiene que ver con la forma de generar las partículas a base de juntar fracciones de otras partículas. En la tabla I se puede observar que los algoritmos genéticos son mucho más consistentes que el método BH, aunque su porcentaje de efectividad es, por lo regular, bajo. Un ejemplo se ve en la efectividad para la estructura de 38 átomos, en donde se ve claramente que el método BH baja mucho su efectividad debido al efecto de doble embudo que tiene esta estructura en particular,11 mientras que AG mantiene una efectivadad similar a las estructuras de 37 y 39 átomos. Algo que se puede suponer es que el AG funcione particularmente bien en la predicción de partículas modeladas con potenciales truncados, como el potencial Dzugutov,12 que modela el comportamiento Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Vol. XIV, No. 56 �Optimización geométrica de nanoestructuras por el método de algoritmos genéticos / Enrique Guevara Chapa, et al. de partículas en líquidos y genera estructuras icosaedrales apiladas.13 Se podría mejorar el método al rotar a las partículas antes de combinarlas, de modo que coincidan los ejes de inercia principales, aunque encontrar dichos ejes, requiere un esfuerzo computacional adicional a considerar. En general, puede concluirse que el método de algoritmos genéticos no genera mejores resultados que el método de Monte Carlo BH, excepto en estructuras con poca simetría radial. Por esta razón los AG serían una buena opción para predecir estructuras que se sabe a priori o se sospecha que no tienen una simetría radial, o que pueden considerarse como la unión de cúmulos menores, como es el caso de nanoalambres y de partículas de menos de 100 átomos. BIBLIOGRAFIA 1. A. P. Sutton and J. Chen, Long-range FinnisSinclair potentials, Philosophical Magazine Letter 61, 139 (1990). 2. Jonathan P. K. Doye and David J. Wales, Global minima for transition metal clusters described by Sutton-Chen potentials, New Journal of Chemistry 22, 733 (1998). 3. L. T. Wille and J. Vennik, Computational complexity of the ground-state determination of atomic clusters, Journal of Physics A Mathematical General 18, L419–L422 (1985). 4. M. Locatelli and F. Schoen, Global Minimization Of Lennard-Jones Clusters By A Two-Phase Monotonic Method, Tech. Rep. (Universitá di Torino, 1999) citeseer.ist.psu.edu/606053.html. 5. H. Rafii-Tabar and A. P. 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Enrique Guevara, Optimización geométrica de nanopartículas metálicas por métodos numéricos, Masters thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León (2009). 11. Jonathan P. K. Doye, Mark Miller, and David J. Wales, The double-funnel energy landscape of the 38-atom lennard-jones cluster, Journal of Chemical Physics 110, 6896(1999), doi:10.1063/1.478595. 12. M. Dzugutov and U. Dahlborg, Molecular dynamics study of the coherent density correlation function in a super cooled simple one component liquid, Journal of Non-Crystalline Solids 62, 131–133(1991). 13. Jonathan Doye and David Wales, Polytetrahedral clusters, Physical Review Letters 86, 5719(2001), doi:10.1103/PhysRevLett.86.5719. 14. Lixin Zhan, Jeff Z. Chen, and Wing-Ki Liu, Monte carlo basin paving: An improved global optimization method, Physics Review E 73, 015701 (2006). 15. Roy Johnston, Thomas Mortimer-Jones, Christopher Roberts, Sarah Darby, and Frederick Manby, Application of genetic algorithms in nanoscience: Cluster geometry optimization, in Applications of Evolutionary Computing, Lecture Notes in Computer Science, Vol. 2279, edited by Stefano Cagnoni, Jens Gottlieb, Emma Hart, Martin Middendorf, and Günther Raidl (Springer Berlin / Heidelberg, 2002) pp. 25–61, ISBN 9783-540-43432-0. 75 �Eventos y reconocimientos I. PRIMER INFORME DEL SEGUNDO PERÍODO DEL DIRECTOR DE LA FIME-UANL El 25 de abril de 2012, el M.C. Esteban Báez Villarreal, director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL presentó ante la H. Junta Directiva de dicha facultad su primer informe administrativo de su segundo periodo en el cargo. El directivo presentó información sobre su gestión agrupada en los cuatro ejes rectores considerados en el Modelo Administrativo de la FIME: Innovación Académica, Capacidad Académica, Competitividad Académica y Gestión; áreas vinculadas estrechamente a las metas y objetivos planteados en la Visión 2020 de la UANL. El M. C. Esteban Báez Villarreal, director de la FIME-UANL, presentando su informe administrativo correspondiente a las actividades del año 2011. 76 II. RECONOCE LA UANL A PROFESORES Con motivo del Día del Maestro, la Universidad Autónoma de Nuevo León, entregó el 16 de mayo de 2012 reconocimientos por su trayectoria universitaria a 38 distinguidos profesores. La ceremonia fue presidida por el Rector, Dr. Jesús Áncer Rodríguez, acompañado por integrantes de su administración. De las áreas relacionadas con la ingeniería fueron reconocidos los siguientes maestros: 55 años MC Guadalupe Evaristo Cedillo Garza (FIME) 45 años MC Juan Fco. Garza Tamez (FIC) MC Manuel Amarante Rodríguez (FIME) MC Jesús Filomeno García Ramírez (FIME) Ing. Cristóbal García Ramírez (PTAO) 40 años MC Delia María Armendáriz Guerrero (FIME) MC Esteban Baez Villarreal (FIME) MC José Encarnación Castillo Barrera (FIME) MC Francisco Javier Esparza Ramírez (FIME) MC José Homero Estrada Cortinas (FIME) MC Fernando Estrada Salazar (FIME) MC Homero Gómez Zepeda (FIME) MC Arturo R. González Escamilla (FIME) MC María Elena Guerra Torres (FIME) MC Antonio Ibarra García (FIME) M.C. Eulalio Rodríguez Ibarra (FIME) Ing. Leobardo martínez martínez (PTAO) IQ Lázaro Vargas Guerra (PTAO) MSI Gilberto Reyes Barrera (FCFM) Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año. XV, No. 56 �Eventos y reconocimientos El Ing. Guadalupe Cedillo Garza, decano de la FIME-UANL recibiendo de manos del rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, un reconocimiento por su trayectoria docente. Maestros de la FIME-UANL que cumplen 30 años de docentes, acompañados por el director de la facultad, el M.C. Esteban Báez Villarreal. III. RECONOCE LA FIME-UANL A SUS MAESTROS Con motivo de la celebración del Día del Maestro 2012, el viernes 11 de Mayo, la FIME organizó su tradicional desayuno a los maestros durante el cual se hace un merecido homenaje a los profesores. El M.C. Esteban Báez Villarreal, reconoció por su labor docente en esta ocasión a dos catedráticos por 15 años de antiguedad laboral, tres por 20 años, siete por 25 años, nueve por 30 años, dos por 35 años, seis por 40 años, uno por 45 años y uno por 55 años. Estuvo acompañado en el presidium por el M.C. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL, y los maestros eméritos: M.C. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza, M.C. Fernando Javier Elizondo Garza, M.C. Manuel Amarante Rodríguez y el Dr. José Luis Cavazos García. Los maestros que cumplieron treinta años de labor docente en el 2012 son: M.C. Roberto Álvarez Chavira M.C. Jorge Franco Quintanilla M.C. Enrique Manuel Castillo Hernández M.C. Antonio Luis Galicia Cavazos M.C. Rubén Chávez Castillo M.C. Cesar José García Matar Ing. Florencio Cuellar Salazar Dr. Daniel González González Ing. Joel De León Oviedo M.C. Ronald Víctor López Gómez M.C. Cesar Gerardo Dimas Acevedo M.C. Eleazar Sánchez Hernández M.C. Jesús Eduardo Escamilla Isla M.C. Gustavo Adolfo Silva Reyna M.C. Juan Carlos Flores García M.C. José Trujillo Saldívar M.C. Adriana Flores Vargas Entrega de reconocimientos a profesores de la FIME-UANL por parte del director, M.C. Esteban Báez Villarreal, durante la celebración del Día del Maestro 2012. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año XV, No. 56 IV. RECONOCIMIENTOS AL MÉRITO ACADÉMICO ESTUDIANTIL Y GRUPO DE LOS 100 El 26 de abril de 2012, en la sala polivalente del Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CIDET) de la FIME-UANL se entregaron reconocimientos a los alumnos del Grupo de los Cien, que está integrado por los alumnos con los cien mejores promedios, en esta ocasión del semestre agosto a diciembre 2011. Durante la misma ceremonia se entregaron los reconocimientos al Mérito Académico a los 77 �Eventos y reconocimientos Los alumnos de la FIME-UANL que se hicieron merecedores del reconocimiento al Mérito Académico y a pertenecer al Grupo de los 100, acompañados por autoridades universitarias. alumnos con el más alto promedio de su carrera, al terminar sus estudios de licenciatura. Los jóvenes que recibieron esta distinción fueron: Gisela Anaid Garza Morales IMC 97.90 Luis Miguel Contreras Monrreal IMA 97.44 Alma Lyzzet Suárez Garza IEA 96.29 Jorge Alberto González Santos IME 93.06 Yazmín A. Martinez Arredondo IAS 92.72 Omar Jorge Barba Arato IMT 92.23 V. RECONOCE EL CIMENL A INGENIEROS En un evento celebrado el pasado 23 de junio de 2012 con motivo del Día Nacional del Ingeniero, el Colegio de Ingenieros Mecánicos, Eléctricos y Electrónicos de Nuevo León (CIMENL) reconoció por su trayectoria profesional a diez ingenieros de la localidad. En el evento estuvieron presentes el presidente del CIMENL, Ing. Manuel Fraustro Sánchez, el Secretario de Desarrollo Sustentable, Ing. Fernando Gutiérrez, en representación del gobernador del Estado de Nuevo León. 78 Los recipiendarios de este reconocimiento son: • Dr. Sergio Omar Martínez Chapa (Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey) • Ing. Roberto Alberto Mireles Palomares (Universidad Autónoma de Nuevo León) • Ing. Jorge A. Lozano Morales (Universidad de Monterrey) • Ing. Jaime F. Sepúlveda Villarreal (Universidad Regiomontana) • Ing. Ovidio Valdez Aguilar (Universidad del Norte) • Ing. Oscar de Jesús Cisneros Ramos (Universidad Metropolitana de Monterrey) • Ing. José Simón Sánchez Gómez (Instituto Tecnológico de Nuevo León) • Ing. David Jorge García Cavazos (Centro de Estudios Universitarios) • Ing. Juan Jaime Garza de la Garza (Colegio de Ingenieros Mecánicos, Eléctricos y Electrónicos de Nuevo León) • Ing. Enrique Meza Banda (Colegio de Ingenieros Mecánicos, Eléctricos y Electrónicos de Nuevo León) El ingeniero Mireles Palomares, es profesor de la Facultad de Ingneiería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Ingenieros que recibieron el reconocimiento a la excelencia profesional 2012 por el Colegio de Ingenieros Mecánicos Eléctricos y Electrónicos de Nuevo León. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año. XV, No. 56 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Marzo - Mayo 2012 Abel Rodríguez Varela, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Examen por materias), 02 de marzo de 2012. Hugo Martín de Jesús Ibarra Elizondo, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 2 de marzo de 2012. Marcela del Rocío Rosas del Real, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 2 de marzo. de 2012. Daniel Martínez Beltrán, Maestría en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura con especialidad en Automatización, “Implementación general de una celda de manufactura”, 02 de Marzo de 2012. Juan Carlos Treviño Leal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 5 de marzo de 2012. Marco Antonio Martínez Natividad, Maestría en Ingeniería con orientación en telecomunicaciones, (Examen por materias), 8 de marzo de 2012. Alejandro Torres Ramírez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 8 de marzo de 2012. Fernando Antonio Vázquez Mata, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Examen por materias), 9 de marzo de 2012. Anna Georgina Méndez Valdez, Maestría en Ingeniería con orientación en telecomunicaciones, (Examen por Materias), 9 de marzo de 2012. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año XV, No. 56 Héctor Castillo Ibarra, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 9 de marzo de 2012. Vicente Antonio Almada Almanza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con orientación en materiales, “Estudio de bioactividad en aleaciones Co-Cr con superficies foliculares”, 12 de marzo de 2012. Azael Torres Garza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en materiales, “Fatiga térmica a bajos ciclos en aceros con modificación superficial”, 14 de marzo de 2012. Roel Castañeda Gómez, Maestría en Ciencias de la administración con orientación en Relaciones Industriales, “El proceso de cambio en las organizaciones”, 14 de marzo de 2012. Joaquín Bernardino Alonso Martínez, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Examen por materias), 16 de marzo de 2012. Reynaldo Laureano Álvarez del Castillo, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Examen por materias), 16 de marzo de 2012. Yadira Elizelda Morejón Rivera, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 20 de marzo de 2012. Karina Vega García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 22 de marzo de 2012. Ricardo Mario Montemayor Montemayor, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Examen por materias), 22 de marzo de 2012. 79 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Myriam Patricia Pavón Hernández, Maestría en Logística y cadena de suministro con orientación en Diseño y Análisis, (Examen por materias), 26 de marzo de 2012. Diana Fabiola García Gutiérrez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis y caracterización de nano partículas semiconductoras de PbTe”, 28 de marzo de 2012. Aldo Romero Torres, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la deformación en la resistencia al impacto de aceros utilizados para la elaboración de componentes automotrices”, 28 de marzo de 2012. Néstor Omar Villalón Juárez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Evaluación micro estructural de superlación ATI 718 plus sometida a diferentes procesos termo mecánicos”, 29 de marzo de 2012. Mario Alberto Bello Gómez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Comparación de diferentes condiciones de tracción frontera por medio de la técnica de elemento de volumen representativo”, 30 de marzo de 2012. Irasema de León Valdez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 19 de abril de 2012. Daniela Ivett González Esquivel, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 19 de abril de 2012. José Ángel Chapa Camacho, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Examen por materias), 19 de abril de 2012. Juan Antonio Verdugo Germán, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 24 de abril del 2012. Deyanira Márquez Sosa, Maestría en ingeniería con orientación en Eléctrica, (Examen por materias), 26 de abril de 2012. Horacio Cabello Martínez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 4 de mayo de 2012. 80 Abraham Paredes Cardona, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 4 de Mayo de 2012. Marco Antonio Pérez Secundino, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 4 de mayo de 2012. María Eugenia Martínez Enríquez, Maestría en Logística y Cadena de suministro con orientación en Dirección y Operaciones, (Examen por materias), 7 de mayo de 2012. José Juan Lozano Villegas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 16 de mayo de 2012. Rafael de Jesús Morales Rodríguez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis de películas delgadas por métodos físicos de aleaciones con memoria de forma”, 18 de mayo de 2012. Felipe Adrian Lozano Martínez, Maestría en Ciencias con orientación en Ingeniería de Sistemas, “Estudio de la convergencia de una cadena de Markov y su aplicación a la gestión del ganado porcino”, 18 de mayo de 2012. Juan Carlos Martínez Reyes, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Finanzas, (Examen por materias), 21 de mayo de 2012. Diana Isabel Gámez Martínez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 24 de mayo de 2012. Dagoberto Silva Franco, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Laminación en caliente y frío de aceros al silicio para aplicaciones eléctricas”, 25 de mayo de 2012. Néstor Miguel Cid García, Maestría en Ciencias con orientación en Ingeniería de Sistemas, “Planificación de la producción agrícola y manejo eficiente del agua en un sistema de irrigación”, 25 de mayo de 2012. Rubén Villarreal Rangel, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Examen por materias), 25 de mayo del 2012. Juan Antonio Sánchez González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 30 de mayo de 2012. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año. XV, No. 56 �Acuse de recibo INICIO DE LA TELEFONÍA EN NUEVO LEÓN (1883-1953) MUNDO HVAC&R Dentro de los trabajos desarrollados en el Centro de Información de Historia Regional, de la UANL, el estudio de los medios de comunicación es una de sus líneas de investigación, y en dicho contexto, en junio de 2012, se presentó el libro “Inicio de la telefonía en Nuevo León (1883-1953)” (ISBN: 978-607-433-741-9) escrito por María Teresa Vázquez Hernández. Escrito en tono de divulgación, este libro está formado por 14 apartados que van perfilando aspectos, tan diferentes pero complementarios, como su desarrollo tecnológico, la ampliación en el servicio, contexto histórico y socioeconómico, aspectos legales, etc. Un aspecto que podría mejorarse grandemente en esta obra es la impresión de las imágenes, las cuales son de bajisima calidad. El estudio de los aspectos científico-tecnológicoingenieril en la vida de lo mexicanos del noreste, es algo poco documentado, en forma seria y profesional, por lo que esperamos que este libro despierte el interés de más investigadores en profundizar y escribir sobre la historia tecnológica de México. El libro se puede conseguir en las librerías de la UANL, o contactando al Departamento de Publicaciones de la UANL: publicaciones@seyc.uanl.mx (FJEG) Mundo HVAC&R es una revista especializada de NLG Editoriales que incluye noticias, artículos, presentación de nuevos productos así como comentarios y recomendaciones de expertos en temas relacionados con la calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración. A manera de ejemplo del tipo de información que se presenta se puede tomar el artículo “Tecnologías inalámbricas para el control de edificios” de la revista de junio de 2012, o “Control y monitoreo de sistemas HVAC” de abril de 2012. Estos artículos muestran el interés por reducir el uso de energía partiendo primeramente de saber como se utiliza mientras que los comentarios de los expertos cubren desde aspectos generales hasta detalles de actualidad escritos en un lenguaje claro. En cuanto a los eventos se refiere en particular a los que ocurren en México por parte de las ascociaciones de ingenieros. Esta revista se publica mensualmente en forma impresa en un formato atractivo bien ilustrado y también está disponible en su sitio de Internet ( http://www.mundohvacr. com.mx ), en el que también se puede apreciar información adicional en estilo multimedia. (JAAG) Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año XV, No. 56 81 �Colaboradores Barbosa Saldaña, Juan Gabriel Doctor en Ingeniería Mecánica egresado de Texas A&M University en Estados Unidos de América en el 2005. Coautor del libro de Termodinámica editado por Grupo Editorial Patria. Es miembro del SNI. Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales (FIME-UANL), postdoctorado en ONERA (Chatillon, Francia). Es investigador SNI I y miembro de la AMC. Actualmente es el Subdirector de Posgrado de la FIME-UANL. De la O Serna, José Antonio Doctor en Telecomunicaciones por la Escuela Nacional Superior de Telecomunicaciones de París, Francia (1982). Entre 1982 y 1986 trabajó en el ITESM. De 1988 a 1993 trabajó en el Politécnico de Yaoundé, Camerún. Actualmente es Profesor Investigador de la UANL. Es miembro del SNI. Jiménez Bernal, José Alfredo Doctor en Ingeniería Mecánica por la Texas A&M University (2004) en Estados Unidos de América. Es Coautor del libro de Termodinámica editado por Grupo Editorial Patria. Es miembro del SNI. García Almazán, Demetrio Ingeniero Mecánico Electricista (2008) y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Orientación en Sistemas Eléctricos de Potencia (2011) por la FIME-UANL. Actualmente labora en el Centro Nacional de Control de Energía (CENACE) de la Comisión Federal de Electricidad. Guevara Chapa, Enrique Maestría en Ingeniería Física Industrial por FCFMUANL. Actual estudiante del programa de doctorado en la FCFM-UANL, y profesor en el ITESM. Gutiérrez Torres, Claudia del Carmen Doctora en Ingeniería Mecánica por la Texas A&M University (2004) en Estados Unidos de América. Es Coautor del libro de Termodinámica editado por Grupo Editorial Patria. Es miembro del SNI. Hinojosa Rivera, Moisés Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería con Especialidad en 82 Juárez Alvarado, César Antonio Ingeniero Civil (1991) y Maestría en Ciencias con especialidad en Ingeniería Estructural (1998) por la Facultad de Ingeniería Civil-UANL. Doctorado en Ingeniería de Materiales (2002) por la FIME-UANL. Estancias de investigación en The University of Applied Sciences, Neubrandenburg, Alemania y en The Ferguson Structural Engineering Laboratory of the University of Texas at Austin, USA. Cuenta con Perfil PROMEP y es miembro del SNI, Nivel I. Ha ganado el Premio de Investigación UANL 2002 y dirigió la mejor tesis de la UANL en el área de Ingeniería y Tecnología en el 2005. Martínez Martínez, Enrique Egresado en 1986 de la facultad de Energética del Instituto Politécnico de Bielorusia en donde además obtuvo el grado de Maestría en Ingeniería, desde entonces ha laborado en la Comisión Federal de Electricidad. Ha sido asesor de la Direcciòn General de CFE, de la Dirección de Operación, y actualmente se desempeña como Subgerente de Análisis de Redes de la Subdirección de Transmisión. Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año. XV, No. 56 �Colaboradores Mejía Rosales, Sergio Doctor en Ciencias (Fïsica) por la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (2010). Asociado posdoctoral en la Universidad de Houston (20002002). Profesor Visitante en la Universidad de Texas en San Antonio (2009-2010). Desde 2003 es profesor de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL. Es miembro del SNI, y de la Academia Mexicana de Ciencias. Presidente de la Sociedad Mexicana de Materiales (2011-2013). Mendirichaga, José Roberto Maestría en Letras Españolas por la UANL y doctor en Historia por la Universidad Iberoamericana, Campus Ciudad de México. Es profesor de cátedra de la Universidad de Monterrey. Pertenece a la Sociedad Nuevoleonesa de Historia, Geografía y Estadística y a la Sociedad Mexicana de Historia de la Educación. Es miembro del SNI, Nivel I. Morales Contreras, Oscar Adrián Doctor en Ciencias en Ingeniería Mecánica (2011) por la ESIME-IPN. Ha laborado en el Laboratorio de la Unidad Reproductora de Hongos Entomopatógenos del Colegio de Postgraduados y en COREMAN de México S.A de C.V. Morones Ibarra, José Rubén Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la UANL. Doctorado en Física en el área de Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es catedrático de la FCFMUANL. SNI nivel 1. Puente Ramírez, Norma Patricia Ingeniero Electrónico, graduada de la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de San Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año XV, No. 56 Luis Potosí. Maestra en Ciencias con especialidad en optoelectrónica por el CICESE y doctora en Ciencias por la Universidad Autónoma de Baja California. Desde el 2011 es profesor investigador de la FIME-UANL. Rodríguez Morales, Gustavo Licenciado en Física por la FCFM-UANL Cuenta con maestría y doctorado en ciencias con especialidad en óptica, graduado del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE). Desde el 2007 es profesor investigador de la división de posgrado de la FIME-UANL. Rojas Sandoval, Javier Licenciado en Historia y Maestría en Metodología de la Ciencia por la UANL. Doctorado por la Universidad Iberoamericana. Es profesor e investigador de la UANL. Director de la página: www.monterreyculturaindustrial.org. Miembro de The International Commitee for the Conservation of the Industrial Heritage y el Comité Mexicano para la Conservación del Patrimonio Industrial. Romero Castañeda, Arturo I. Ingeniero en Electrónica y Automatización (2009), UANL-FIME. Maestría en Ingeniería con orientación en telecomunicaciones (2011), UANL-FIME. Zaid, Gabriel Poeta y ensayista. Ingeniero Mecánico Administrador por el ITESM, Monterrey (1955). Recibió el premio Xavier Villaurrutia (1972). Fue miembro del consejo de la revista Vuelta (19761992) y de la Academia Mexicana de la Lengua (1986-2002). Ingresó en El Colegio Nacional el 26 de septiembre de 1984. 83 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes y convocatorias. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Se aceptarán trabajos en inglés solamente de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES En el caso de los trabajos de revisión o divulgación el autor debe demostrar que ha trabajado y publicado en el tema del artículo, debe ofrecer una panorámica clara del campo temático, debe separar las dimensiones del tema y evitar romper la línea de tiempo y considerar la experiencia nacional y local, si la hubiera. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben contener la presentación de resultados de medición acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamentre dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen 84 mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año. XV, No. 56 �Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año XV, No. 56 85 �86 Ingenierías, Julio-Septiembre 2012, Año. XV, No. 56 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2012 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 15 Número Número de la revista 56 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2012, Año 15, No 56, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2012 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020819 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Fibras ópticas Reactor Nuclear Rejillas de Bragg Técnica de PIV Vórtice helicoidal https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20778/Ingenierias_2012_Ano_15_No_55_Abril-Junio.pdf c217c1a62f52820ae378cfa88ec9d745 PDF Text Text 55 ISSN 1405-0676 Camiones urbanos Fallas en baleros Métricas de dispersión Extinción de incendios forestales ABRIL - JUNIO 2012, Año XV, No. 55 REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN �55 Contenido Abril-Junio de 2012, Año XV, No. 55 2 Directorio 3 Editorial Camiones urbanos en Monterrey Yasmín Á. Ríos Solís 8 Nuevo método de aproximaciones sucesivas para obtención de raíces de polinomios Roberto Elizondo Villarreal, Virgilio A. González González, Ramón Cantú Cuéllar 15 Detección automática de fallas de baleros en un proceso de manufactura: Un estudio comparativo Hugo Jair Escalante Balderas, Katia Espinosa Guevara, Arturo Berrones Santos, Mario A. Saucedo Espinosa 23 Comparación de métricas de dispersión en optimización de sistemas territoriales comerciales Brenda Aide Peña Cantú, Roger Z. Ríos Mercado, Hugo Jair Escalante Balderas 32 Grandes inversiones Gabriel Zaid 35 Comparación del ruido dentro de camiones urbanos, con y sin aire acondicionado, en Monterrey, México Fernando Javier Elizondo Garza, Jorge Alejandro Cúpich Guerrero, Ramón Cantú Cuéllar 44 Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier José Antonio De la O Serna, Johnny Rodríguez Maldonado 58 Optimizando el despliegue de recursos en la extinción de un incendio forestal Sanzon Mendoza Armenta, Roger Z. Ríos Mercado, Minerva A. Díaz Romero 65 Eventos y reconocimientos 68 Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL 69 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 71 Acuse de recibo 72 Colaboradores 74 Información para colaboradores Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 1 �Ingenierías, Año XV, N° 55, abril-junio 2012. Fecha de publicación: 15 de abril de 2012. Revista trimestral, editada y publicada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/ N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Apartado Postal 076F, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, CP.66451. Telefono:+52 (81) 83294020 Ext. 5854. Impresa por: FAGSA México, Facsímil Arte Gráfico, S.A. de C.V., Félix U. Gómez Nte. 2818, Col. Cementos Monterrey, N.L., México, C.P. 64520. Fecha de terminación de impresión: 15 de abril de 2012. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P.66450. Número de reserva de derechos al uso exclusivo del título Ingenierías otorgada por el Instituto Nacional del Derecho de Autor: 04-2011-101411064600-102, de fecha 14 de octubre de 2011. Número de certificado de licitud de título y contenido: En trámite. ISSN: 1405-0676. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Ingenierías es una publicación trimestral arbitrada, editada por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionales, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. Las opiniones y contenidos expresados en los artículos son responsabilidad exclusiva de los autores. Prohibida su reproducción total o parcial, en cualquier forma o medio, del contenido editorial de este número sin previa autorización. Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. Versión en extenso en internet: http:// ingenierias.uanl.mx/ Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2012 revistaingenierias@gmail.com 2 DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector: Dr. Jesús Ancer Rodríguez Secretario General: M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico: Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado: Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura: Lic. Rogelio Villarreal E. Director de Publicaciones: Dr. Celso José Garza Acuña FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA Director: M.C. Esteban Báez Villarreal Sub-Director de Estudios de Posgrado: Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Académico: M.C. 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Dagoberto Salas Zendejo Impresor: René de la Fuente Franco Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 �Editorial: Camiones urbanos en Monterrey Yasmín Á. Ríos Solís Posgrado en Ingeniería de Sistemas de la FIME-UANL yasmin@yalma.fime.ual.mx Los sistemas de transporte público se enfrentan a retos importantes debido al continuo crecimiento de la población urbana, el aumento de vehículos privados, la congestión y la fragilidad de los sistemas de transporte colectivo. Cuando el transporte público experimenta dificultades, las consecuencias se dejan sentir en los hogares, las empresas y la comunidad urbana en general, porque la gente no llega a sus lugares de trabajo, educación o recreación. Así, la falla de este sistema puede representar una restricción al crecimiento económico y al desarrollo social, así como impactar negativamente sobre la salud y el medio ambiente. La necesidad del transporte público obedece a que no todos los habitantes de una ciudad tienen un medio de transporte individual para llegar a sus destinos. Además, si cada habitante se desplazara en vehículo privado, el tráfico y la vialidad serían un mayor caos. De hecho en lugares que cuentan con transporte público desarrollado se fomenta su uso, independientemente de que los habitantes cuenten con vehículos propios, lo que descongestiona avenidas, contribuye a la reducción de la contaminación y hace descansados los trayectos. Los administradores de un sistema de transporte público eficiente están conscientes de las necesidades de movilidad de las personas, y además de satisfacerlas, también son competitivas en términos de costo, tiempo y comodidad para los pasajeros en comparación a los vehículos particulares. El transporte público en el área conurbada de Monterrey también enfrenta el reto de eficiencia, rentabilidad y competitividad. Me referiré en particular a los “camiones urbanos” por ser el más común en esta ciudad y por ser el menos restrictivo en cuanto a la flexibilidad de las rutas, ya que a diferencia del metro, no tienen una ruta fija, pueden compartir avenidas con los automóviles e incluso variar su ruta según la demanda. La mayor parte de los camiones urbanos de Monterrey, al igual que en otras ciudades, son operados por empresas privadas, que por su naturaleza deben ser rentables en su operación para cumplir con las demandas de movilidad de la población. Las rutas en Monterrey están diseñadas en forma de estrella lo que hace que parte del recorrido de las diferentes rutas pasen por el centro de la ciudad, figura 1, lo que lleva a una gran concentración de camiones urbanos en esa zona. Esta condición de estrella también hace que las personas que desean trasladarse en la periferia lo hagan pasando por el centro. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 3 �Camiones urbanos en Monterrey / Yasmín Á. Ríos Solís Fig. 1. Red de transporte urbano de Monterrey.1 Los datos del Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) dan pistas sobre la población objetivo que cualquier empresa de transporte urbano está buscando: zonas densamente pobladas y de niveles medio bajo y bajo. Como ejemplo del tipo de información del que se dispone se puede tomar la figura 2 en la que se muestra las zonas con viviendas totalmente equipadas, que en términos del INEGI diferencian los estratos sociales. En combinación con gráficas similares (no se muestran) para densidad de población por edades, se determina en qué zonas están habitadas por personas que dependen del camión urbano. Fig. 2. Viviendas totalmente equipadas. 4 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 �Camiones urbanos en Monterrey / Yasmín Á. Ríos Solís Se esperaría que la planeación de una empresa privada de camiones urbanos se ajustara dinámicamente a la población objetivo mencionada. Sin embargo, los trazos de las rutas actuales (figura 1) aun no cubren todas las zonas más densas ni por las zonas con gente joven o de edad mayor, y menos por las zonas de menos nivel socioeconómico.1 Un factor que se debe considerar cuando se habla del transporte público en Monterrey, es el incremento de los vehículos privados. En 2008 era de 243 vehículos por cada 1,000 habitantes, un valor que podría parecer bajo si se compara con las tasas europeas (400/1000 en París en 2002) y estadounidenses (700/1000 en Los Ángeles en 2002). Pero en comparación con la tasa global de México: 131/1000, es finalmente bastante alto.2 Esta tasa aumenta el desequilibrio entre los modos de transporte y puede retardar el desarrollo del transporte público. La figura 3 muestra una gráfica en la que se agrupan los estratos sociales y el uso de diferentes medios de transporte según datos del Consejo Estatal de Transporte y Vialidad de Nuevo León (CETyV) de 2005. Fig. 3. Proporción de la población que utiliza diferentes medios de transporte. Se puede hacer mención de un desequilibrio entre el uso de los camiones urbanos y el automóvil, que aquí es solo ilustrativo dada la antigüedad de los datos. Aun así, hay un uso importante del camión urbano y es necesario asegurarse de que la oferta sea capaz de satisfacer a la demanda. Dado que la ciudad crece rápidamente es necesario contar con información actualizada que sea útil para adaptar el transporte público a los cambios de la estructura de la ciudad, manteniendo su rentabilidad y competitividad. La competencia con el automóvil no tiene que ver sólo con el deseo de que los particulares utilicen el camión urbano, sino que también comparten las mismas calles. Como negocio, las empresas de transporte urbano no tendrían interés en hacer viajes muy temprano por la mañana o muy tarde por la noche ya que el camión iría casi vacío haciendo que el viaje no sea rentable. Sin embargo, el Gobierno, más precisamente las Leyes de Nuevo León, imponen ciertas reglas en la operación de las rutas para ofrecer servicio aún en condiciones que no son puntualmente rentables, ya que es el Gobierno quien debe promover, y asegurarse, de que las personas más necesitadas del camión urbano resulten realmente beneficiadas con el servicio. El que las empresas privadas y el Gobierno logren que las rutas de camión pasen por donde deberían pasar para satisfacer a la sociedad, a los estratos más Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 5 �Camiones urbanos en Monterrey / Yasmín Á. Ríos Solís necesitados, a los usuarios más frecuentes, además de ser rentables, es difícil dado que el problema es complicado por el gran número de variables técnicas, sociales, económicas y políticas involucradas. Desde el punto ingenieril, el diseño de una red de rutas en una ciudad es un problema de optimización combinatoria multiobjetivo que requiere modelos matemáticos avanzados además de métodos de resolución eficientes especializados.3 Es un problema que se puede resolver si se cuenta con la información confiable necesaria. El trazo de una red de rutas siguiendo el supuesto sentido común y la observación de datos proporcionan una solución del tipo de la que actualmente opera y cuyos problemas ya se han mencionado. En el mundo ya se han rediseñado redes de transporte urbano con éxito.4 En Monterrey se pueden utilizar los datos del INEGI del censo 2010 por lo que se puede considerar que son recientes y de buena calidad. Sin embargo, los datos de las encuestas de Origen-Destino de la población realizados por el CETyV, independientemente del cuidado que se haya tenido en su elaboración, son ya obsoletas puesto que datan de 2005. Para lograr diseñar la red de camiones urbanos óptima se requiere el modelo y la información, el modelo puede estar a cargo de especialistas mientras que la información depende de que se realicen conteos y estudios de demanda de manera expedita. Hay un costo de oportunidad inherente al posponer esta tarea, este costo no solo lo pagan los usuarios del camión urbano, también lo paga la sociedad incluyendo a los automovilistas que tienen que compartir avenidas congestionadas por camiones, lo que representa tiempos de traslado grandes, incomodidad, el potencial de accidentes y contaminación para todos. Organizacionalmente corresponde al Gobierno ordenar, regular, promover y normar las actividades relacionadas con el transporte. Se requieren recursos y todos los involucrados deben cooperar en la medida del beneficio que recibirán, ya que no hay duda de que un sistema óptimo beneficiaría a los usuarios y a las empresas de transporte urbano. Contar con la información confiable y actualizada para poder efectuar un diseño óptimo tiene sus costos, pero es de tal importancia que existen ejemplos 6 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 �Camiones urbanos en Monterrey / Yasmín Á. Ríos Solís de financiamiento, como es el caso del Banco Mundial que aprobó un préstamo de 350 millones de dólares para apoyar mejoras el sistema de transporte público de la ciudad de México y ayudar a reducir las emisiones de CO2. Posteriormente al diseño e implementación de una red óptima habrá que informar ampliamente a los usuarios potenciales para que se aproveche, es obvio que la comunidad tiene interés en estos aspectos, como se puede constatar en el proyecto independiente “Ruta Directa” que nació de la necesidad de informar a la gente sobre los recorridos de camiones urbanos en Monterrey (http://www. rutadirecta.com) y que no exime al Gobierno de su deber de informar ya que es éste el que finalmente aprobará las rutas, ordenará su implementación y vigilará su operación. Tanto el Gobierno como las empresas de camiones urbanos deben entender que la solución de este tipo de problemas sólo se puede abordar mediante el aprovechamiento de desarrollos tecnológicos y científicos. Aún en un esquema privado en el que se espera que las empresas financien la mayoría de los gastos porque sencillamente se trata de un negocio, el gobierno debe actuar en consecuencia de su responsabilidad organizativa, de gestión y facilitador de recursos que permitirán contar con una red menos complicada, más eficiente, sustentable y rentable que cumpla con los sectores que más lo necesitan. BIBLIOGRAFÍA 1. P. Rabut, Système de transport urbain de l’aire métropolitaine de Monterrey (Mexique): Analyse de l’offre et de la demande. Master’s thesis. Université de Franche-Comté. France, 2010. 2. K. Pereira. Transport urbain en périphérie métropolitaine, le cas de la municipalité de García (aire métropolitaine de Monterrey, Nuevo León, Mexique), 2008. 3. G. L. Nemhauser , L. A. Wolsey, Integer and combinatorial optimization, Wiley-Interscience, New York, NY, 1988. 4. A. Ceder. Public Transit Planning and Operation: Theory, Modeling and Practice. Elsevier, Butterworth-Heinemann, 2007. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 7 �Nuevo método de aproximaciones sucesivas para obtención de raíces de polinomios Roberto Elizondo VillarrealA, Virgilio A. GonzálezA,B, Ramón Cantú CuéllarA A B FIME-UANL CIIDIT-UANL roelizon@hotmail.com, virgonzal@gmail.com, ramon_cantu@yahoo.fr RESUMEN En este artículo reportamos un nuevo método de aproximaciones sucesivas aplicándolo a la determinación de raíces de polinomios de grado arbitrario. El método está fundamentado en que para determinar cualquier raíz, el valor absoluto de la suma de los miembros positivos y negativos de una función deben ser iguales. Este método tiene como ventajas respecto a los métodos conocidos que a) tiene un solo valor inicial supuesto (x0), b) éste no tiene que ser cercano al valor de la raíz y c) no se ve afectado por los cambios de pendiente. Adicionalmente puede ser de convergencia rápida. PALABRAS CLAVE Aproximaciones sucesivas, polinomios, raíces. ABSTRACT We are reporting in this article a new successive approximations method for determining the roots of polynomial functions of arbitrary order. The method is based on that for determining any root, the absolute values of the sumatory of the positive and negative terms of any function must be equal. The method advantages in reference to the well-known methods is that: a) it is necessary only one initial supposed value (x0), b) it is not necessary that this value is close to the root, and c) the convergence is not affected by slope changes. In addition it can be of rapid convergence. KEYWORDS Successive approximations, polynomius, roots. INTRODUCCION En la actualidad, los métodos numéricos son una herramienta indispensable en prácticamente todos los campos de las ciencias exactas e ingenierías.1-4 Aquellos métodos utilizados para encontrar las raíces de un polinomio de grado n tienen además aplicaciones que van desde encontrar los puntos de intersección de funciones complejas, hasta la resolución de ecuaciones diferenciales. Entre los métodos de aproximaciones sucesivas más utilizados para la solución de problemas científicos e ingenieriles se pueden enumerar: 1. Método de bisecciones sucesivas, 2. Punto fijo (iteración simple), 3. Método Newton- 8 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Nuevo método de aproximaciones sucesivas para obtención de raíces de polinomios / Roberto Elizondo Villarreal, et al. Raphson, 4. Método de la secante, 5. Método de Horner (división sintética), 6. Método Birge-Vieta y 7. Método de Lin-Bairstow. Sobre el desarrollo de estos métodos, basta decir que el más conocido y utilizado es el método de Newton- Raphson, que data de finales del siglo XV e inicio del XVI.5 Todos estos métodos tienen ventajas y desventajas, dependiendo de las características de la función a la que se le quiere determinar las raíces, por ejemplo los métodos de Newton-Raphson y el de la secante fallan ante cambios abruptos o de signo de la pendiente de las funciones, los métodos de bisecciones sucesivas y de iteración simple requieren iniciar los métodos con dos valores de la variable independiente de los que se sepa que representan un intervalo que incluye la raíz buscada. En este artículo, presentamos un nuevo método de aproximaciones sucesivas robusto en el sentido de que no es afectado por cambios abruptos de pendiente ni es necesario que el único valor inicial supuesto de la raíz (x0) sea cercano a la raíz verdadera (r). Además, como se muestra en la figura del encabezado de este artículo, el método puede aplicarse, entre otras cosas, para la determinación de la intersección entre dos funciones polinomiales, esta aplicación será sujeto de un artículo futuro. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO La fundamentación del método considera que si tenemos la función: (1) f ( x ) = an x n + an−1 x n−1 + an−2 x n−2 + ...a0 x 0 es decir: n f (x ) = ∑ ai x i 0 la cual es continua para toda x∈R, entonces para que se cumpla f(x)=0, la suma de todos los términos con signo positivo debe ser igual al valor absoluto de la suma de todos los términos con signo negativo, por lo tanto si definimos dos funciones, a saber: g ( x )= n ∑ (1 + a x ax i i 0 n h(x ) = ∑ ai x 0 i i i ai x i ) ai x i ) 2 (1 − a x i i 2 (2) (3) donde g(x) será la sumatoria de todos los términos Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 de f(x) cuyas evaluaciones puntuales en x sean positivos, es decir: (4) g (x ) = Σ ai x i ⇔ ai x i > 0 Mientras que h(x) será la sumatoria de los valores absolutos de los términos de f(x) que cumplan con ser negativos al ser evaluados en x. (5) h ( x ) = Σ ( ai x i ⇔ ai x i < 0 ) Entonces cuando f(x)=0, es decir en cualquier raíz, podemos escribir g (x ) = h(x ) (6) ( o bien: ) g (x ) =1 h(x ) (7) Así, para determinado valor de x (x0), la desviación de g(x)/h(x) respecto a uno nos indica lo alejado que nos encontramos de la raíz de f(x), por lo que puede ser el parámetro para modificar x0 con el fin de acercarnos a la raíz de f(x), definiendo así la nueva x (x1) como: x1 = x0 g (x0 ) h(x0 ) (8) Sin embargo, g(x0)/h(x0) puede tomar valores mayores o menores a 1, por lo que en realidad la Ec. 8 puede alejar o acercar la magnitud de x de la raíz, según la situaciones mostradas en la tabla I. Tabla I. Tendencia de convergencia o divergencia a la raíz “r” durante iteraciones de la ecuación 9, como función de: la posición de la abscisa supuesta (x0) respecto a “r” y la razón g(x0)/h(x0) g(x)/h(x) Posición de x0 >1 <1 <r Converge Diverge >r Diverge Converge Para aumentar la rapidez de convergencia hacia la raíz “r”, y controlar la dirección, agregamos a la formula recursiva el parámetro E ⎛ g (x0 )⎞ ⎟⎟ x1 = x0 ⎜⎜ ( ) h x 0 ⎠ ⎝ E (9) donde E puede tomar cualquier valor dentro de los números reales, excepto cero, el signo direcciona la recursividad hacia la raíz y la magnitud de E, la rapidez de convergencia. Con el signo negativo del exponente “E”, la tabla anterior es la inversa, es decir cuando las iteraciones para E > 0 hacen que haya divergencia, 9 �Nuevo método de aproximaciones sucesivas para obtención de raíces de polinomios / Roberto Elizondo Villarreal, et al. entonces cuando E < 0 producen la convergencia de las iteraciones. Una referencia relacionada estrechamente a este método es el reportado por Elizondo,6 al que llamó “descomposición de signo”, aplicado fundamentalmente a problemas de control, sin embargo al observar esta descomposición como la que se hace en el ejemplo 4.1 de la página 44 de dicha referencia, observamos que la función ejemplo (Ec. 10) la descompone en las funciones mostradas en las ecuaciones 11 y 12. f (q ) = 4 + q1 − q 2 + 8q12 q 2 − 9q1 q 22 (10) f p (q ) = 4 + q1 + 8q12 q 2 (11) f n (q ) = q 2 + 9q1 q 22 (12) Las ecuaciones correspondientes al método aquí propuesto serían completamente diferentes, a saber: en primer lugar la función f(q) se expresa en forma más general según la expresión 13. f ( q ) = a + bq1 + cq 2 + dq12 q 2 + eq1q 22 (13) Donde los valores de los coeficientes son: a=4, b=1, c=-1, d=8 y e=-9 entonces la función g(q) queda como: g ( q )= a (1 + a a 2 ) + bq (1 + bq 1 1 bq1 2 g ( q ) = 6 y h ( q ) = 17 (17) Como se puede apreciar, las funciones 14 y 15, representadas también por las expresadas en las ecuaciones 4 y 5, son completamente diferentes a las propuestas por el método llamado descomposición de signo propuesto por otros autores.6 El planteamiento en la referencia 6 y el del presente artículo llevan a resultados completamente diferentes APLICACIÓN DEL MÉTODO EJEMPLO 1: polinomio de quinto grado Como ejemplo establecemos el siguiente polinomio de 5º grado f ( x ) = − 0.00031x 5 + 0.016 x 4 − 0.3 x 3 (18) + 2.5 x 2 − 9.4 x + 15 Como vemos en la gráfica de la figura 1, f(x) tiene 3 raíces reales (r1, r2 y r3) )+ ⎡ 1 + dq12 q 2 dq12 q 2 ⎡ 1 + cq 2 cq 2 ⎤ 2 cq 2 ⎢ dq q + ⎥ 1 2 ⎢ 2 2 ⎢⎣ ⎣ ⎦ ⎡ 1 + eq1q 22 eq1q 22 eq1q 22 ⎢ 2 ⎢⎣ las Ecs. 11 y 12 (reportadas en la referencia 44) con las ecuaciones 14 y 15 aquí propuestas, observamos que al resolver las ecuaciones 14 y 15 usando los mismos valores de q1 y q2 resultan en los valores de las ecuaciones 17. ⎤ ⎥+ ⎥⎦ (14) ⎤ ⎥ ⎥⎦ Mientras que la función h 1 (x) es como la representada en la expresión [15] h ( q )= a (1 − a 2 a ) + bq (1 − bq 1 1 2 bq1 )+ ⎡ 1 − dq12 q 2 dq12 q 2 ⎡ 1 − cq 2 cq 2 ⎤ 2 cq 2 ⎢ dq q + ⎥ 1 2 ⎢ 2 2 ⎢⎣ ⎣ ⎦ ⎤ ⎥+ ⎥⎦ (15) ⎡ 1 − eq1q 22 eq1q 22 ⎤ ⎥ eq1q 22 ⎢ 2 ⎥⎦ ⎣⎢ Así que, al evaluar el valor de las funciones fp(q) y fn(q) de acuerdo a lo reportado en la referencia 6 (Ec. 11 y 12), para cuando los valores de los términos independientes valen q1=1 y q2=-1, resulta: f p ( q ) = −3 y f n ( q )= 8 (16) Ya que podría haber confusión al querer equiparar 10 Fig.1. Gráfica del polinomio representado en la función (13). Para encontrar la primera raíz (r1), lo haremos con dos valores iniciales de x0, primero suponemos un valor de inicial que es menor a r1 (x0=1<r1) y segundo con un valor mayor a r1, (x0=14.5>r1). En la figura 2, se muestra una amplificación de la sección de la gráfica donde se encuentra r1, y se han añadido las gráficas de las aproximaciones de x a la raíz para ambos x0, habiendo utilizado E=1. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Nuevo método de aproximaciones sucesivas para obtención de raíces de polinomios / Roberto Elizondo Villarreal, et al. necesarias para alcanzar una convergencia con un error aceptable. En las figuras 4 y 5 se analiza el número de iteraciones necesarias para converger desde un valor de x0=16, hasta la raíz con una exactitud de ±10-5, (x,f(x): 10,0±10-5), en función del valor del exponente E. Fig. 2. Sección de la gráfica de la función (18) donde se muestra la convergencia a r=10 de valores iniciales (x0) tanto menores como mayores de r. Como se puede apreciar en la figura 2, independientemente del valor de x0 elegido, el método converge a la raiz (r1=10), con la caracteristica de que no importan los cambios de pendiente de la función en el intervalo de convergencia, estos cambios de pendiente pueden ser un inconveniente en métodos como los de Newton–Raphson. En el ejemplo descrito, un inconveniente es la rapidez de convergencia, en la figura 3 se muestran las gráficas de convergencia a r1=10 iniciando de x0=16 y x0=4. Encontramos que para que f(x) alcance un valor igual o menor a 10-5, son necesarias 596 y 814 iteraciones respectivamente. Al observar la expresión 9 se aprecia que el exponente E puede tomar cualquier número real y no se altera el hecho de que la razón [g(x0)/h(x0)]E debería ser igual a uno cuando f(x)=0, es decir cuando x=r, esto fundamenta la posibilidad de disminuir sustancialmente el número de iteraciones Fig. 4. Valores de xi en función del número de iteraciones para alcanzar f(x)=±10 -5 para diferentes valores de E (1,2,4 y 8) en la determinación de la raíz r=10 del polinomio de la ecuación 18. Fig. 5. Valores de xi en función del número de iteraciones para alcanzar f(x)=±10-5 para diferentes valores de E (8, 16, 32 y 64) en la determinación de la raíz r=10 del polinomio de la ecuación 8. Fig. 3. Rapidez de aproximación a la raíz r=10, utilizando como valores de partida x0=4 y x0=16. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 En estas gráficas (4 y 5), apreciamos como se acelera considerablemente la rapidez de convergencia del algoritmo, pudiendo el exponente E tomar valores tan grandes como 32 y 64. Pero también observamos que cuando E = 64, xi llega a tomar valores menores que r, resultando en incremento en el número de iteraciones necesarias para alcanzar la convergencia con el error establecido (f(x)=0±10-5). 11 �Nuevo método de aproximaciones sucesivas para obtención de raíces de polinomios / Roberto Elizondo Villarreal, et al. Con esta observación se hicieron varias corridas del algoritmo hasta alcanzar un número de 23 experimentos en el intervalo de 1<x<70 graficando los logaritmos del número de iteraciones necesarias -5 para alcanzar el error establecido (10 ) en función del logaritmo del exponente utilizado, resultando la figura 6. El punto de inflexión o mínimo de esta gráfica, corresponde al valor de E que resulta en un cambio del valor de xi que pasa de ser menor a mayor que la raíz (r). Así, aunque sigue siendo útil un exponente tan elevado como 70, ya exponentes mayores que 47.2 en lugar de disminuir el número de iteraciones para la convergencia, las incrementan. Tabla II. Resultados de las 11 primeras iteraciones en la determinación de la raíz r=10 de la función 18 partiendo de x0 = 16 y con E = 47.2 i xi yi ζ 1 16 -0.68 - 2 15.7 -0.91 1.90x10-2 3 15.29 -1.22 2.60x10-2 4 14.7 -1.58 3.80x10-2 5 13.88 -1.9 5.60x10-2 6 12.79 -1.88 7.90x10-2 7 11.52 -1.26 9.90x10-2 8 10.48 -0.43 9 9.00x10-2 10.05 -4.50x10 -2 4.10x10-2 10 10 -5.20x10-4 4.00x10-3 11 10 -3.10x10-7 5.70x10-5 Tabla III. Resultados de las 12 primeras iteraciones en la determinación de la raíz r=10 de la función 18 partiendo de x0= 4 y con E = 26.5. Fig. 6. Gráfica de los logaritmos del número de iteraciones necesarias para alcanzar la raíz con una exactitud de ±10-5 y la magnitud de E. Fig. 7. Etapas de convergencia a la raíz r, del polinomio de la Ec. 18, partiendo a) de x0=4 con E=26.5 y b) x0=16 con E=47.2 En la figura 7 se muestran los resultados de la aplicación del método para encontrar la raíz (r=10), partiendo de x0=16 y x0=4 con los valores de los exponentes óptimos (E=47.2 y E =26.5). Los resultados numéricos se reportan en las tablas II y III. 12 i xi yi ζ 1 4 1.98 - 2 9.86 0.12 1.46 3 9.941 0.05 0.008 4 9.97 0.02 3.30x10-3 5 9.99 0.01 6 1.00x10-3 9.995 4.00x10 -3 6.20x10-4 7 9.997 1.90x10-3 2.70x10-4 8 9.999 8.30x10-4 1.20x10-4 9 10 3.00x10 -4 5.20x10-5 10 10 1.60x10-4 2.30x10-5 11 9.999922 7.03x10-5 1.00x10-5 12 9.999966 3.09x10 4.40x10-6 -5 En el segmento de 10<x<19 de la función 18 se encuentran otras dos raíces, (r1 y r2), para calcular la más pequeña (en cuanto a valor de x), tenemos dos opciones, la primera es haciendo x0=13 (r < x0 < r1), con lo cual se obtiene convergencia con una exactitud mayor de ±10-5 respecto a f(x) en 17 iteraciones Para determinar la segunda raíz (r1) se puede escoger x0 con cualquier valor mayor a la primera raíz (r) y menor a la tercera (r2), en la figura 8 se muestra el segmento de gráfica donde se encuentra r1 con los datos de dos conjuntos de iteraciones, un con x0=12 (<r1) y E=-120 y otro partiendo de x0=18 (>r1) y E=-190). Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Nuevo método de aproximaciones sucesivas para obtención de raíces de polinomios / Roberto Elizondo Villarreal, et al. Fig. 8. Etapas de convergencia a la raíz r1, del polinomio de la Ec. 18, partiendo a) de x0=12 con E=-120 y b) x0=18 con E=-190. El método aquí propuesto, también puede ser útil para graficar y obtener las raíces de ecuaciones heterogéneas, esto lo demostraremos mediante el siguiente ejemplo: Sea la ecuación: y 3 − y 2 + 2 y − 4 x y + 3x 2 y − x 3 + (19) 3x 2 − 0 . 5 x − 1 = 0 Esta ecuación la podemos reagrupar de la siguiente manera: y 3 − y 2 + ( 2 − 4 x + 3x 2 ) y + (20) ( − x 3 + 3x 2 − 0 . 5 x − 1 )= 0 Por lo que, si conocemos x, La Ec 14 la podemos considerar como un polinomio de tercer grado de la forma: A y3 + B y2 + C y + D = 0 (21) Dónde: Fig. 9. Etapas de convergencia a la raíz r2, del polinomio de la Ec. 18, partiendo a) de x0=17.2 con E=170 y b) x0=19 con E=110. A =1, B = − 1,C = (2 − 4 x + 3 x 2 ) y (22) D = − x 3 + 3 x 2 − 0 . 5 −1 En seguida definimos el intervalo de valores de x que queremos graficar, en este caso se consideró el intervalo de -2≤ x ≥4 en incrementos de 0.1. Definimos para cada valor de x, las magnitudes A, B, C y D y efectuamos el procedimiento descrito en los párrafos anteriores, ajustando cuando sea necesario la “y” inicial (y0) y el exponente E, en este caso, los parámetros se ajustaron para tener una convergencia con un error menor a ±10-14 en 15 o menos iteraciones, en la tabla V se muestran los parámetros usados en cada intervalo. Por último, para determinar la tercera raíz, r2, se escoge un valor de x0>r1, en la figura 9 se muestran las convergencias a r2 partiendo de x0=17.2 y E=170, así como x0=19 y E = 110. En la tabla IV se resumen los resultados de los cálculos de las tres raíces. EJEMPLO 2: Ecuación polinomial de tercer grado con términos xy. Tabla V. Parámetros utilizados para la convergencia de y a diferentes valores de x. (ver función 19). Tabla IV. Variables de entrada, (x0 y E), y resultados del valor de cada raíz (x), incluyendo el número de iteraciones efectuadas y el error en f(x)=0 para la función 18. En la figura 10 se muestra la gráfica obtenida, observando que el cambio de signo tanto del exponente como del valor inicial de las ordenadas (y0), coincide con el cambio de signo del valor de y, es decir cuando se pasa por alguna raíz de la ecuación. Para determinar las raíces simplemente se sustituye por cero los valores de “y” en la ecuación 15 (solución trivial), quedando un polinomio de tercer grado (Ec. 23): Raíz Variables de entrada Resultados x0 E n f(x) r 16 47.2 11 -3.08x10-7 10.00000 r1 12 -120 19 -7.11x10 -6 17.04256 r2 19 110 15 -8.18x10-6 18.09424 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 x Intervalo y0 E -2≤ x <-0.4 -0.8 1 -0.4≤ x <-0.1 0.1 -1 -0.1≤ x <0.8 0.1 -1.1 0.8≤ x <2.7 -0.1 1 2.7≤ x <4 0.1 -1 13 �Nuevo método de aproximaciones sucesivas para obtención de raíces de polinomios / Roberto Elizondo Villarreal, et al. Fig. 10. Gráfica de la ecuación 19, indicando con cruces y cambio de color donde se cambiaron los signos de los parámetros de entrada (y0 y E) para lograr la convergencia. (23) − x 3 + 3 x 2 − 0 . 5 x −1= 0 Este polinomio contiene las tres raíces de la ecuación inicial (Ec. 14), las cuales se obtienen con gran exactitud con un número de iteraciones muy pequeño, en la tabla VI se muestran los resultados para la determinación de cada raíz, incluyendo los parámetros de entrada y el número de iteraciones. Tabla VI. Parámetros de entrada y resultados del cálculo de las raíces de la ecuación 19. Raíz Parámetros de entrada r1 r2 r3 x0 -1 2 2 E -0.5 -1 1.35 5 8 5 X -0.46962 0.79663 2.672981 Y 1.99x10-6 1.06x10-7 1.00x10-6 No. iteraciones Resultado Como se aprecia en la Ec. 9, las iteraciones nunca cambian el signo de x0, por lo que, si hemos supuesto una x0>0, solo encontraremos las raíces positivas, si además hay raíces negativas es necesario suponer una x0 inicial menor que cero como lo muestra este ejemplo. En la figura 11, se muestran las raíces obtenidas para el polinomio de la ecuación 19. CONCLUSIONES Se presenta un nuevo método de aproximaciones E sucesivas basado en la ecuación ⎛ g(x ) ⎞ xi+1 = xi ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ h( x ) ⎠ 14 Fig. 11. Gráfica de la Ec. 19 y las raíces calculadas. como fórmula recursiva, donde g(x) y f(x) son los valores absolutos de las sumatorias de los términos positivos y negativos respectivamente y E es un exponente que puede tomar cualquier valor dentro de los números reales. El método es de rápida convergencia, solo se necesita un valor inicial supuesto de x, no necesariamente cercano a la raíz verdadera y el método no es afectado por cambios de pendiente de la función. El método se puede aplicar para graficar y obtener raíces de polinomios heterogéneos y servirá de base para otras aplicaciones como la determinación de intersecciones de gráficas de funciones. REFERENCIAS 1. Burden R. L. and Faires, J. D., “Numerical Analysis”, Ed. Belmont: Brooks & Cool, 9 ed. (2005). 2. Leader J., “Numerical Analysis and Scientific Computation”, Ed. Addison-Wesley. 1 edi. (2004). 3. Kelley T.C., “Solving Nonlinear Equations with Newton’s Method”. Philadelphia, Ed. Society for Industrial Mathematics. (2003). 4. Chapra, S. y Canale, R. “Métodos numéricos para Ingenieros”, Ed. Mc Graw-Hill ed 4. (2007). 5. Tjalling J., Ypma, “Historical development of the Newton-Raphson method”, SIAM Review 37 (4), 531–551, (1999). 6. E l i z o n d o G o n z a l e z C , “ E s t a b i l i d a d y Controlabilidad Robusta de Sistemas Lineales con Incertidumbre Multilineal”, Dr. Tesis, Universidad Autónoma de Nuevo León, (1999). Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Detección automática de fallas de baleros en un proceso de manufactura: Un estudio comparativo Hugo Jair EscalanteA,B, Katia Espinosa GuevaraC, Arturo Berrones SantosA, Mario A. Saucedo EspinosaA División de Posgrado en Ingeniería de Sistemas, FIME, UANL Coordinación de Ciencias Computacionales, INAOE, Tonantzintla, Puebla C Instituto Tecnológico de El Mante, Cd. Mante, Tamaulipas hugojair@inaoep.mx, ing.katia.guevara@gmail.com, arturo@yalma.fime.uanl.mx, mario@yalma.fime.uanl.mx A B RESUMEN Se presenta un estudio comparativo de diferentes técnicas de aprendizaje computacional para la detección automática de fallas de baleros durante un proceso de manufactura. El objetivo es reducir costos por el pago de garantías e incrementar el prestigio de la marca. Mediciones recolectadas por sensores acústicos en línea de producción generan señales asociadas con el componente bajo estudio. A partir de las señales generadas se desea determinar si los baleros son defectuosos o no antes de que el producto salga a la venta. Se propone una solución basada en aprendizaje computacional y se evalúan diversas técnicas de clasificación. La mayoría de los métodos obtienen resultados aceptables, dando evidencia de la viabilidad del enfoque propuesto. Los métodos basados en similitud obtienen los mejores resultados en cuando a efectividad de detección, además de que son fáciles de implementar y altamente eficientes. PALABRAS CLAVE Detección de fallas, baleros, aprendizaje computacional, reconocimiento de patrones, procesamiento de señales acústicas, automatización de procesos de manufactura. ABSTRACT This paper presents a comparative study of different machine learning techniques for the automated detection of bearing faults in a manufacturing process. The goal is to reduce costs derived from the payment of guaranty policies. Measurements collected by acoustic sensors provide signals associated with bearings of a manufactured product. These signals are used to determine whether bearings are defective or not before the product is put on sale. A solution based on machine learning is proposed and diverse methods are evaluated. Most of the tested techniques obtained acceptable performance, giving evidence of the effectiveness of the proposed approach. Similarity-based methods obtained the best performance across the considered techniques, besides accuracy this type of methods are easy to implement and highly efficient. KEYWORDS Fault detection, bearings, machine learning, pattern recognition, acoustic signal processing, automation of manufacturing processes. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 15 �Detección automática de fallas de baleros en procesos de manufactura: Un estudio comparativo / Hugo Jair Escalante, et al. INTRODUCCIÓN En la industria manufacturera la detección temprana de fallas en los componentes del producto que se fabrica es de vital importancia. El no detectar un componente defectuoso en un producto implica que éste dejará de funcionar mucho tiempo antes de que expire la garantía del producto. Lo que a su vez tiene repercusiones económicas para la empresa, además de afectar su prestigio en el mercado. El evaluar si un componente del producto es defectuoso o no representa un gran reto para el personal de control de calidad, puesto que un producto puede funcionar a pesar de que alguno de sus componentes tenga algún defecto de fabricación. El problema es aún más complicado en situaciones donde los componentes están localizados dentro del producto, y donde no se pueden realizar mediciones directas del componente, sino que la funcionalidad del último se juzga usando mediciones indirectas o externas. Este trabajo presenta un estudio comparativo de los principales métodos de clasificación supervisada en la tarea de detectar baleros defectuosos instalados en cierto producto fabricado por una empresa manufacturera a partir de señales de sonido. El tipo de fallas que se desea detectar es cuando el balero falla después de que el producto se pone en funcionamiento. El tipo de producto y el proceso de fabricación hacen imposible colocar sensores en el componente bajo estudio, por lo que la única forma de evaluar la funcionalidad del componente es colocando sensores fuera del producto y realizando mediciones de señales acústicas o vibratorias cuando el producto está en funcionamiento. Un conjunto de mediciones recolectadas y etiquetadas por personal de la empresa se usa para implementar diversos métodos de aprendizaje computacional capaces de detectar fallas automáticamente. El conjunto de datos original es procesado para tratar de disminuir los niveles de ruido inherentes al proceso de medición. Se presentan resultados experimentales de la evaluación de diversos métodos de clasificación. El estudio muestra que se pueden obtener resultados aceptables con algunos de los métodos evaluados, aunque existen ciertos clasificadores que ofrecen mayores beneficios en términos de efectividad de detección e interpretación. El aplicar métodos de procesamiento de datos incrementa la efectividad de detección de la mayoría de las técnicas evaluadas. PROCESO DE MANUFACTURA Se considera el proceso de manufactura de un producto P, el cual cuenta, entre otros, con un balero, que es colocado en el producto en las primeras etapas del proceso de producción. Por la forma en que P es armado, no se tiene acceso al balero una vez que se ha ensamblado el producto. Para detectar fallas, se coloca un sensor en una cámara de pruebas donde el producto se pone a funcionar y se recopilan señales de sonido. Cada señal representa la potencia de sonido medida en decibeles a diferentes frecuencias. La figura 1 ilustra el enfoque abordado para la recopilación de datos. Las señales generadas mediante el sensor son etiquetadas por expertos en detectar diferentes tipos de fallas del componente de manera empírica (e.g., escuchando el ruido generado por el producto en funcionamiento). Así, cada señal es etiquetada como señal de componente con falla o sin falla. La figura 2 muestra un subconjunto de señales etiquetadas generadas por el proceso que se ha descrito. En total se generaron 120 señales medidas en 24 frecuencias, Fig. 1. Diagrama del enfoque abordado para la detección de fallas. 16 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Detección automática de fallas de baleros en procesos de manufactura: Un estudio comparativo / Hugo Jair Escalante, et al. Fig. 2. Señales del componente bajo estudio. Se muestran los conjuntos considerados para experimentación, véase la tabla I. En azul (línea solida) señales de componentes sin falla, en rojo (línea punteada) señales de componentes con falla. 109 de las señales fueron etiquetadas como no-falla y 11 con falla. Cabe mencionar que la recopilación de las señales se llevó a cabo en una cámara aislada de fuentes de ruido externas. Aunque, es imposible eliminar el ruido inherente al funcionamiento del producto. Por otro lado, cabe mencionar que los baleros son analizados visualmente antes de ser instalados en el producto, por lo que el tipo de falla que se desea detectar es aquel que ocurre cuando el balero entra en operación. DETECCIÓN AUTOMÁTICA DE FALLAS El problema de detección de fallas se aborda como uno de clasificación o reconocimiento de patrones.1 El objetivo es construir o aprender una función que permita asociar las señales con su etiqueta de estatus correcta (i.e., falla o no-falla). Dicha función se aprende usando el conjunto D compuesto por n-pares formados por las señales etiquetadas D = {(xi, yi)}n. Cada señal xi es un vector en R d , siendo d la dimensión de las señales y cada etiqueta yi es un 1 o un 0, dependiendo si la señal presenta falla (yi=1) o no (yi=0). Entonces, Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 la función a aprender es de la forma: f : R d → {0,1} (1) El objetivo del reconocimiento de patrones consiste en aprender la función f de manera que se clasifiquen correctamente los ejemplos de entrenamiento D, véase la figura 3. Además f deberá ser capaz de mostrar una capacidad de generalización aceptable, esto es, la habilidad de clasificar ejemplos no vistos durante la construcción del modelo. La capacidad de generalización es lo que garantiza que la función se comportará bien en datos generados en la línea de producción. Existen varias opciones para definir f, por ejemplo f puede ser una función lineal de la forma f(x)=wx+b, o bien puede tratarse de un clasificador basado en los vecinos más cercanos, f x = 1 yi , ( ) k xi ∈Nk (x) donde Nk(x) es el conjunto de vecinos más cercanos a x. Otros métodos populares incluyen las redes neuronales artificiales, los arboles de decisión, clasificadores Bayesianos, meta clasificadores, ensambles, entre otras opciones.1,2 ∑ 17 �Detección automática de fallas de baleros en procesos de manufactura: Un estudio comparativo / Hugo Jair Escalante, et al. Fig. 3. Ilustración del problema de clasificación para las clases: falla (círculos) vs. no-falla (estrellas), para datos en dos dimensiones x1 y x2. MÉTODOS DE CLASIFICACIÓN Y PROCESAMIENTO CONSIDERADOS Como se menciona en la sección anterior, existe una gran variedad de alternativas para definir la función f en la ecuación (1). La pregunta que se quiere responder con este estudio es ¿Cuál es el mejor método de clasificación para implementarlo en un sistema automático para detección de fallas? Para responder tal pregunta se seleccionó la herramienta WEKA, 2 la cual contiene implementaciones de algoritmos de aprendizaje altamente efectivos y muy conocidos en el área de aprendizaje automático.1,3 Se consideraron todos los métodos de clasificación presentes en WEKA por lo que en total se consideraron 67 algoritmos de aprendizaje divididos en 5 grupos: 1. Métodos Bayesianos. (e.g., naïve Bayes, redes Bayesianas). Métodos probabilistas que se basan en teoría Bayesiana para hacer la clasificación. 2. Funciones. (e.g., Máquina de soporte vectorial, redes neuronales) Clasificadores que infieren una función (lineal o no lineal) que separa los datos de ambas clases. 3. Métodos basados en distancia. (e.g., knn). Métodos que se basan en similitud para asignar la clase a una instancia. 4. Meta clasificadores. (e.g., Boosting, stacking, bagging). Ensambles y otro tipo de técnicas que 18 incorporan información de varios métodos de clasificación. 5. Árboles de decisión. (e.g., ID3, J48). Métodos de clasificación basados en árboles de decisión. 6. Reglas. (e.g., Conjunctive rule). Métodos de aprendizaje que se basan en la extracción de reglas para clasificación. Tanto la división de métodos de aprendizaje en grupos como los mismos nombres de los grupos está dada por WEKA. Los métodos difieren en la forma de la función f y en la forma en que se aprende dicha función a partir de los datos en D, véanse2,3 para mayores detalles. El estudio comparativo consiste en evaluar la efectividad de los 67 métodos de clasificación. Para llevar a cabo la evaluación se utilizó validación cruzada tipo leave-one-out (LOO). Bajo este enfoque los datos disponibles, D, se dividen en n-partes (siendo n el número de observaciones en D). Posteriormente el método de clasificación se entrena y prueba n-veces. En cada iteración de entrenamiento-prueba, se usan (n-1) observaciones para construir (entrenar) el clasificador y la efectividad del clasificador entrenado se evalúa en la n-ésima instancia (no usada para entrenar). Cada vez se remplaza la instancia que se usa para evaluar. El desempeño del clasificador es el promedio de las evaluaciones en cada observación. El uso de validación cruzada es recomendable para la evaluación y comparación de métodos de aprendizaje debido a que el usar la efectividad de los métodos de clasificación en el conjunto de entrenamiento puede llevar a conclusiones erróneas debido al problema del sobre ajuste de datos (3). En particular, validación cruzada tipo LOO es recomendable cuando el número de observaciones es pequeño. Las medidas de evaluación consideradas son la exactitud (i.e., porcentaje de señales clasificadas correctamente), el área bajo la curva ROC, la tasa de ciertos positivos (TP) y falsos positivos (FP), la precisión, cobertura (i.e., recall) y medida f1 para la clase minoritaria. Todas las medidas anteriores están en el intervalo [0,1]. Entre mayor el valor de la medida más efectivo es el método de clasificación en evaluación. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Detección automática de fallas de baleros en procesos de manufactura: Un estudio comparativo / Hugo Jair Escalante, et al. PREPROCESAMIENTO DE SEÑALES Debido a la forma en que se recopilan las señales, éstas están sujetas a contener distintos niveles de ruido. Aunado a lo anterior, el proceso de etiquetado es completamente empírico, por lo que puede haber errores en el etiquetado provisto por el personal de la empresa. Por las razones anteriores el conjunto de datos provisto por la empresa fue pre-procesado antes de realizar el estudio comparativo. La primera estrategia de pre-procesamiento consistió en identificar aquellas frecuencias en que señales con falla y sin falla eran indistinguibles. Esta etapa de procesamiento es común en aprendizaje automático y se conoce como selección de atributos.4 Para hacer esta identificación se realizó un análisis estadístico complementado con inspección visual. De esta forma algunas frecuencias fueron identificadas como potencialmente ruidosas. En total se eliminaron 15 frecuencias por lo que la dimensionalidad de los datos se redujo de 24 a 9 frecuencias. La segunda estrategia de pre-procesamiento consistió en identificar aquellas señales que potencialmente fueron mal etiquetadas por el personal de la empresa. Este tipo de procesamiento se conoce como selección de instancias. Se usó como criterio para detectar señales potencialmente ruidosas el coeficiente silueta (sillohuette coefficient), véase la referencia5 para una descripción del uso de este coeficiente en problemas de clasificación, dicho coeficiente esta dado por: a ( x) − b( x) (2) S (x ) = max{a (x ), b (x )} donde a(x) es la distancia promedio de la señal x con todas las señales de su misma etiqueta (falla o nofalla) y b(x) es la distancia promedio de la señal x con todas las señales de la clase opuesta. El criterio S(x) se calcula para todas las señales y aquellas señales que cumplen: −th ≥ S (x ) ≥ th (3) para un umbral th se consideran ruidosas. Se eliminarán instancias x que son más cercanas a la etiqueta opuesta cuando S(x)≤-th y se eliminarán instancias redundantes (que son muy parecidas al resto de los ejemplos de la clase) cuando S(x)≥th. La figura 4 ilustra el coeficiente silueta para un problema de clasificación binario en 2D. Un total de 6 señales se eliminaron del conjunto de datos (2 de la clase con falla y 4 de la clase sin falla). Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 Fig. 4. Coeficiente silueta normalizado al intervalo [0,1] para un problema de 2 clases (rombos y círculos). En nivel de gris es proporcional al valor normalizado del coeficiente. RESULTADOS EXPERIMENTALES Se realizó el estudio comparativo procesando los datos con los métodos ya descritos. Específicamente, se realizaron pruebas con los conjuntos de datos que se indican en la tabla I. Tabla I. Descripción de los conjuntos de datos considerados. Conjunto de datos Descripción A Conjunto de datos original. B Conjunto A sin las frecuencias ruidosas. C Conjunto A sin señales ruidosas. D Conjunto C sin frecuencias ruidosas. Los resultados para los 67 métodos evaluados y los cuatro conjuntos de datos se muestran en la figura 5. De esta figura podemos observar que la mayoría de los resultados son competitivos. El 96% de todos los resultados se encuentra arriba del 90% de exactitud; mientras que el 41% de resultados se encuentra arriba del 95%. Estos resultados dan evidencia de la efectividad del enfoque basado en clasificación para la detección de fallas. Como es de esperarse, los resultados son mejores para los conjuntos de datos pre-procesados: B, C, y D. En particular, se obtuvieron mejores resultados cuando se eliminaron tanto frecuencias como señales ruidosas (i.e., conjunto D). Después del conjunto 19 �Detección automática de fallas de baleros en procesos de manufactura: Un estudio comparativo / Hugo Jair Escalante, et al. Tabla II. Exactitud promedio por familia de métodos. ID Familia A B C D 1 Bayes 93.06 91.94 95.03 96.13 2 Funciones 90.83 93.57 94.61 96.30 3 Similitud 93.33 93.96 97.15 98.21 4 Meta 91.13 91.96 93.98 94.80 5 Reglas 92.59 92.78 95.32 96.03 6 Árboles 92.97 94.62 95.88 96.77 Tabla III. Mejor método en promedio sobre conjuntos de datos por familia. Considerando el área bajo la curva ROC. Fig. 5. Exactitud obtenida por los distintos métodos evaluados en los 4 conjuntos de datos considerados. D, los mejores resultados son obtenidos para el conjunto C, esto es, cuando sólo se remueven señales ruidosas. Comparando los resultados obtenidos para los conjuntos A-B y C-D, podemos observar que el eliminar frecuencias ruidosas mejoró el desempeño de la mayoría de los métodos de clasificación. Por restricciones de espacio no es posible mostrar a que método corresponde cada valor de exactitud mostrado en la figura 5. Sin embargo, en la tabla II se presenta la exactitud promedio por familia de métodos para cada uno de los conjuntos de datos. Así mismo, la tabla III presenta una descripción de los mejores métodos (en términos de promedio de área bajo la curva ROC) de clasificación por familia. En la tabla II se puede observar que los métodos basados en similitud obtienen el mejor resultado promedio a través de todos los conjuntos de datos. Los resultados obtenidos en términos del área bajo la curva ROC fueron similares. Por otro lado, el mejor método por familia difiere notablemente como se muestra en la tabla III. El mejor clasificador en promedio sobre los conjuntos de datos considerados es AD-Tree un método basado en ensambles de árboles ID 1 2 3 4 5 6 Método Descripción Método probabilista que asume Naive Bayes independencia entre atributos dada (91.4%) la clase. Red Perceptron multi-capa capaz de neuronal generar superficies altamente no(86.7%) lineales. K-star KNN que usa medida de similitud (94.7%) basada en entropía Decorate Técnica que combina múltiples (95.1%) añadiendo ejemplos sintéticos PART Método para generar reglas basado (92.8%) en árboles de decisión AD-Tree Método basado en boosting para la (95.5%) generación de árboles de decisión de decisión. La efectividad de este método es muy similar a la obtenida por K-star y Decorate. Aunque cabe destacar en este punto que K-star es mucho más fácil de implementar que los otros métodos. La tabla IV muestra los resultados obtenidos en todas las medidas de evaluación consideradas para los mejores métodos por cada conjunto de datos. Los resultados en términos de ciertos positivos (TP), falsos positivos (FP), precisión y cobertura se miden con respecto a la clase minoritaria (i.e., las señales con falla). Cuando la exactitud era igual para métodos de clasificación el segundo criterio Tabla. IV. Resultados obtenidos por los mejores métodos para cada conjunto de datos. Conjunto 20 Exactitud Área ROC TP FP Precisión Cobertura F1 A Clasificación vía regresión Método 96.67 93.90 72.70 0.90 88.90 72.70 80 B Clasificación vía regresión 96.67 87.40 63.60 0 100 63.60 77.80 C K-star 97.37 98.10 88.90 1.90 80 88.90 84.20 D IB1 99.10 94.40 88.90 0 100 88.90 94.10 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Detección automática de fallas de baleros en procesos de manufactura: Un estudio comparativo / Hugo Jair Escalante, et al. para identificar a los mejores métodos fue el área bajo la curva ROC. Se puede observar que para el conjunto de datos D se obtiene una exactitud arriba del 99% (i.e., en promedio una señal no fue clasificada correctamente), lo que nos hace pensar que el enfoque automático de detección de fallas (incluyendo los métodos de pre-procesamiento) podría implementarse en línea de producción. Para el conjunto D el mejor algoritmo fue el IB1 (1-vecino más cercano), mientras que para el conjunto C el mejor método fue K-star (kvecinos más cercanos), ambos métodos se basan en la similitud entre instancias, la eliminación de atributos ruidosos mejora los estimados de similitud para ambos métodos, mientras que la eliminación de señales ruidosas reduce los errores de clasificación para estos métodos. Para los conjuntos de datos A y B el mejor clasificador fue uno basado en regresión. Un resultado interesante de este estudio es que los métodos que mejor funcionan para los conjuntos de datos considerados (i.e., IB1, K-star, regresión) son muy sencillos de implementar y altamente eficientes, lo cual es ventajoso si se piensa aplicar estos métodos para la detección de fallas en línea de producción. DISCUSIÓN La detección de fallas en baleros es un tópico ampliamente estudiado en la literatura. Existen enfoques exactos que permiten determinar si un balero presenta una falla o no. Sin embargo, tales métodos requieren de hacer mediciones directamente del componente (i.e., el sensor se coloca en el balero, lo que reduce la variabilidad de los datos y el nivel de ruido inherente a la medición). El aplicar tales técnicas para el escenario considerado (véase la figura 1) no fue posible debido a que no se tiene acceso al balero una vez que el producto es armado. La detección de fallas con técnicas de aprendizaje computacional es un área que ha tenido auge recientemente.6-8 Lo anterior debido a que el área de aprendizaje automático se ha aplicado exitosamente en otros dominios, lo que ha dado confianza a las empresas para explorar estas alternativas. Los autores esperan que el estudio presentado en este artículo motive a otras empresas a considerar al aprendizaje automático como una herramienta más en el proceso de toma de decisiones. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 CONCLUSIONES Se presentó un estudio comparativo de diferentes métodos de aprendizaje automático para la detección de fallas en procesos de manufactura. El problema consiste en determinar si un componente de cierto producto es defectuoso usando señales de sonido recopiladas cuando se pone en funcionamiento el producto que se fabrica. El estudio comprendió 67 métodos de clasificación y dos métodos para el pre-procesamiento de datos. Interesantes conclusiones se obtuvieron del estudio. Primero, la mayoría de los métodos obtuvieron resultados aceptables bajo el enfoque propuesto. Segundo, la aplicación de métodos para la selección de atributos y selección de instancias redujo el ruido en el problema de detección, lo que a su vez provocó que los métodos mejoraran su efectividad. Tercero, se identificó a las familias de métodos que mejores resultados obtienen en la tarea estudiada, a saber, la familia de los métodos basados en similitudes. Cuarto, se identificaron a los mejores métodos de clasificación para los cuatro conjuntos de datos. Los métodos identificados son IB1, K-star, y métodos basados en regresión, además de su efectividad, los métodos anteriores son altamente eficientes y de fácil implementación. Con base en los resultados reportados en este artículo podemos concluir que es factible la implementación de un método de detección automática de fallas que pueda obtener resultados aceptables en línea de producción. Trabajo actual y futuro incluye la implementación de los mejores métodos de clasificación para su uso en producción y una validación de tales métodos. Además, se pretende desarrollar métodos de sobremuestreo para lidiar con el problema de desbalance de clases. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo de la Academia Mexicana de Ciencias a través de la beca otorgada para Katia Guevara. Se agradece también el apoyo otorgado por la FIME-UANL, así como los útiles comentarios de la Dra. Yasmín Ríos. Mario A. Saucedo-Espinosa agradece al CONACyT por la beca de estudios de maestría 237561. 21 �Detección automática de fallas de baleros en procesos de manufactura: Un estudio comparativo / Hugo Jair Escalante, et al. BIBLIOGRAFÍA 1. Mitchell, T. M. Machine Learning. s.l.: McGraw Hill, 1997. 2. The WEKA Data Mining Software: An Update. M. Hall, E. Frank, G. Holmes, B. Pfahringer, P.Reutemann, I. H. Witten. 1, s.l.: ACM, 2009, SIGKDD Explorations, Vol. 11, pp. 10--18. 3. Bishop, C. Pattern Recognition and Machine Learning. s.l.: Springer, 2006. 4. An Introduction to Variable and Feature Selection. I. Guyon, A. Elisseeff. 2003, Journal of Machine Learning Research, Vol. 3, pp. 1157--1182. 5. Instance Selection in Text Classification using the Silhouette Coefficient Measure. D. Dey, T. Solorio, M. Montes, H. J. Escalante. s.l.: LNCS, Vol. 7094, pp. 357--369, Springer, 2011. 6. Fault detection of a vibration mechanism by spectrum classification with a divergence-based kernel. T. Ishigaki, T. Higuchi, K. Watanabe. 5, s.l. : IEEE, 2010, IET Signal Processing, Vol. 4, pp. 518--529. 7. Bearing Fault Detection Using Artificial Neural Networks and Genetic Algorithm. B. Samanta, Khamis R. Al-Balushi, Saeed A. Al-Araimi. [ed.] Hindawi. 3, 2010, EURASIP Journal on Applied Signal Processing, Vol. 2004, pp. 366--377. 8. A Machine Learning Approach for Fault Detection in Multivariable. Y. Guo, J. Wall, J. Li, S. West. 2011. Second International Workshop on Agent Technologies for Energy Systems. LLAMADO A LOS AUTORES CONGRESO NACIONAL 2012 DE LA ASOCIACIÓN DE MÉXICO DE CONTROL AUTOMÁTICO AMCA 2012 DEL 17 AL 19 DE OCTUBRE DEL 2012 CIUDAD DEL CARMEN, CAMPECHE La Asociación de México de Control Automático y la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma del Carmen (UNACAR) convocan a investigadores, profesores, estudiantes de posgrado y de licenciatura y a los profesionales de la ingeniería a participar en su congreso anual. Tópicos: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Control de sistemas lineales y no lineales Control Inteligente Control de procesos Robótica y vehículos autónomos Sistemas biomédicos Control de sistemas electromecánicos Control de procesos químicos Sistemas electrónicos de potencia Caos Modos deslizantes y estructura variable Sistemas mecánicos discontinuos Detección y aislamiento de fallas Otros tópicos afines Presidente de la AMCA: Dr. Alejandro Rodríguez Ángeles (CINVESTAV) aangeles@cinvestav.mx Presidente del congreso: Dr. José Antonio Ruz Hernández (Facultad de Ingeniería UNACAR) jruz@delfin.unacar.mx Presidente del Comité de Programa: Dr. Edgar N. Sánchez Camperos (CINVESTAV-IPN, Unidad Guadalajara) sanchez@gdl.cinvestav.mx 22 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Comparación de métricas de dispersión en optimización de sistemas territoriales comerciales Brenda Aide Peña CantúA, Roger Z. Ríos MercadoA, Hugo Jair EscalanteB A B División de Posgrado de Ingeniería en Sistemas, FIME-UANL INAOE, Puebla bap10_st@hotmail.com , roger.rios@uanl.edu.mx , hugo.jair@gmail.com RESUMEN En este trabajo se presenta la comparación de dos modelos formulados para la solución de un problema de diseño de territorios comerciales donde se desea minimizar la dispersión territorial. Este trabajo es motivado por un caso práctico de una compañía distribuidora de bebidas embotelladas. El primer modelo utiliza como medida de dispersión la métrica del problema de localización del p-centro, y el segundo la métrica del problema de la p-mediana. Se muestran resultados experimentales basados en muestras de datos reales de diversos tamaños donde se observa que es una mejor decisión usar el modelo basado en la medida del p-centro que el de p-mediana con base en ciertos criterios considerados. PALABRAS CLAVE Investigación de operaciones, diseño de territorios comerciales, métrica p-centro, métrica p-mediana. ABSTRACT This paper presents a comparison of two models to solve a commercial territory design problem. The work is motivated by a real-world problem from a beverage bottling company. The first model uses, as a dispersion measure, the metric from the well-known p-center problem. The second one uses the metric from the p-median problem. Experimental results based on real-world data indicate that the model with p-center metric is a better choice than the p-median according to some considerations. KEYWORDS Operations research, territory design, p-center metric, p-median metric. INTRODUCCIÓN El problema abordado proviene de una empresa embotelladora de bebidas ubicada en la ciudad de Monterrey, N.L., México. Ésta necesita dividir sus clientes en un número de territorios dado con base en ciertos requerimientos de planeación. El diseño territorial puede verse como el problema de agrupar pequeñas áreas geográficas llamadas unidades básicas, en grupos geográficos llamados territorios, de forma que éstos satisfagan un conjunto de criterios de planeación.1 Éste tiene diversas aplicaciones como el diseño de territorios políticos, distritos escolares, servicios Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 23 �Comparación de métricas de dispersión en optimización de sistemas territoriales comerciales / Brenda Aide Peña Cantú, et al. de emergencias, distritos policiacos. De todas, las aplicaciones más importantes son las de diseño de territorios para ventas2,3 y territorios políticos.4,5,6,7 Segura8 explica que la mayoría de las compañías que tienen ventas considerables y una gran área de mercado se ven en la necesidad de diseñar territorios de ventas, con fines administrativos o comerciales. Comúnmente existen una gran cantidad de razones por las que es necesario rediseñar una área de ventas o servicios. Puede suceder por un decremento o incremento en el número de ventas o clientes, la administración del personal de atención a las áreas de una mejor manera o simplemente balancear la carga en los territorios. En este artículo se comparan dos modelos desarrollados con distintas medidas de dispersión para el diseño de territorios comerciales, ambos para minimizar la dispersión, uno utilizando la medida p-centro desarrollado por Caballero1 y el segundo utilizando la medida p-mediana desarrollado por Segura.8 Un trabajo similar es el propuesto por Erkut y Neuman,9 en el cual se contrastan cuatro diferentes modelos para maximizar dispersión de un conjunto dado de puntos. Lo que se trata de hacer en este trabajo es un estudio comparativo similar considerando los modelos de minimización de dispersión de los territorios con los que se cuenta. DESCRIPCIÓN DE LOS MODELOS Lo que se desea saber es qué modelo es más conveniente utilizar respecto a su robustez, es decir qué tan sensible es un modelo a pequeñas variaciones en los parámetros de entrada. En el caso que se comparan dos modelos para resolver un mismo problema, el término robustez se refiere a qué tanto se aleja del valor óptimo la solución óptima de un modelo al evaluarlas en el otro modelo. Como lo describe Caballero,1 se sabe que se desea dividir el conjunto de unidades básicas que conforman la red de distribución de la empresa en un conjunto de territorios adecuados para sus propósitos comerciales. Para desarrollar este plan territorial se hicieron las siguientes suposiciones: • La manzana geográfica es la unidad básica de la que se conforman los territorios. • Se asocian a cada territorio medidas de demanda de producto y de número de clientes conocidos como 24 tamaños. Estos tamaños están definidos como la suma aritmética de los valores correspondientes a las medidas de actividad de las unidades básicas que los conforman. La empresa considera ciertos criterios de planeación que se traducen en un conjunto de requerimientos que el diseño territorial debe cumplir: • Cada unidad básica se debe asignar únicamente a un solo territorio. Esto quiere decir que los territorios definen conjuntos distintos de unidades básicas. • Los territorios deben ser geográficamente compactos. Esto significa que la distancia entre las unidades básicas dentro de un mismo territorio es pequeña. • Es de suma importancia que los territorios estén balanceados con respecto a cada medida de actividad. Lo anterior representa que para cada territorio, los tamaños de las medidas de actividad estén dentro de un rango establecido. • Cada territorio debe ser contiguo. Esto implica que para cada par de unidades básicas pertenecientes al territorio existe una ruta que las comunique, compuesta exclusivamente por unidades básicas colindantes entre si y pertenecientes al mismo territorio. • El diseño territorial debe contar con un número fijo de territorios previamente establecido. A continuación se presentan en la formulación de ambos modelos como un programa lineal entero mixto. El modelo basado en la medida p-centro (TDPC) está definido como sigue: Modelo TDPC Minimizar f c ( x )= m a x{d i j xi j } (1) Sujeto a: xij = 1 (2) i , j∈V ∑ j ∈V i∈V ∑x ii =p (3) i∈V ∑ w x ≤ (1+τ )μ x a j a ij a ii i ∈V ;a∈ A (4) j∈V Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Comparación de métricas de dispersión en optimización de sistemas territoriales comerciales / Brenda Aide Peña Cantú, et al. ∑ w x ≥ (1−τ )μ x a j a a ij i ∈V ;a∈ A ii j∈V ∑ ∪Nv \S j∈ xi j − ∑x ij S j∈S i ∈V , S ⊂V v∈S (5) (6) (7) xij ∈ {0,1} i, j ∈ V Mientras que el modelo basado en la medida pmediana (TDPM) se presenta a continuación: Modelo TDPM Minimizar f m ( x )= ∑∑ d ij xi j (8) i∈V j∈V Sujeto a las ecuaciones (2) a (7). Tanto en el modelo TDPC, como en el TDPM la función objetivo (1) y (8) busca minimizar la dispersión donde xij es la variable de decisión igual a 1 si la unidad j se asigna al centro i y 0 de otro modo, y dij se define como la distancia euclidiana entre los nodos i y j. La restricción (2) asegura que la asignación de cada unidad básica sea a un solo centro. La restricción (3) establece el número de centros a elegir y por consecuencia el número de territorios a formar que está designado por p. Las restricciones (4) y (5) aseguran que para cada actividad a el tamaño de los territorios esté dentro del rango definido por τa alrededor de su tamaño promedio definido por μa donde wia es el valor de la actividad a en el nodo i. La restricción (6) garantiza la conectividad de los territorios en el que Ni es el conjunto de nodos adyacentes al nodo i. Metodología de solución El método empleado para la solución de ambos problemas es el propuesto por Salazar-Aguilar, Ríos-Mercado y Cabrera-Ríos,10 en el que se puede resolver de forma óptima modelos de hasta 150 unidades básicas y formando 8 territorios tanto para TDPC como para TDPM. En la figura 1 se presenta el procedimiento de solución empleado. Dentro de la formulación se necesitan como datos de entrada la instancia, además de especificar si se trata de p-centro o p-mediana. Enseguida, el método realiza un procedimiento iterativo usando el método de Ramificación y Acotamiento, donde internamente se relajan las restricciones de conectividad (ya que crecen de forma exponencial) y se resuelve la relajación. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 Input: P:=Instancia del problema TDP MedidaDisp := TDPC o TDPM Output: X= (X1, X2,..., Xp):= Una p-partición factible de V CriterioParada ← NO Cortes ← ø {Conjunto de cortes} Modelo ← GeneraModeloRelajado (P, MedidaDisp) while ( CriterioParada ≠ SI ) X ← ResolverModelo (MedidaDisp) Cortes ← ResolverProblemaSeparacion (P, X) if (Cortes = ø ) CriterioParada ← SI else AgregarCortes(Modelo, Cortes) endif endwhile return X Fig. 1. Procedimiento de solución empleado. Posteriormente se realiza una prueba para verificar la conectividad mediante una búsqueda en anchura (BFS, por sus siglas en inglés), que es un algoritmo para recorrer y buscar elementos en un grafo,11 para verificar si alguna restricción de conectividad no se cumplió. Si ese es el caso, se identifican aquellas desigualdades violadas y se agregan al modelo relajado como cortes y continúa el procedimiento hasta que no haya desigualdades sin cumplir. Por último, el método retorna la solución óptima. Trabajo experimental Para llevar a cabo los experimentos se utilizaron varios conjuntos de pruebas con diferentes características a fin de analizar el comportamiento de ambos modelos variando cada uno de los parámetros. Las instancias de prueba fueron construidas a partir de información real facilitada por un especialista de la empresa. Dentro del estudio realizado se evaluaron 20 instancias. El método de solución bajo ambas métricas fue codificado en el lenguaje C++ y compilado con el compilador Sun C++ 8.0. Todos los experimentos fueron realizados en un ordenador SunFire V440, con el sistema operativo Solaris 9, donde se utilizaron bibliotecas de optimización para C++ de CPLEX12 en su versión 11.2 en el Laboratorio de Cómputo de Alto Desempeño del Posgrado de Ingeniería de Sistemas de la FIME, UANL. Mayores detalles pueden encontrarse en el trabajo de Peña Cantú.13 25 �Comparación de métricas de dispersión en optimización de sistemas territoriales comerciales / Brenda Aide Peña Cantú, et al. A las instancias se les identificó de la forma en que se muestra en la tabla I para facilitar su clasificación por número de nodos (N), número de territorios a formar (p) y tolerancia (τa) para cada actividad. Se llevó a cabo la experimentación con 20 instancias de cada tamaño. En la tabla II se presentan los resultados para los datos de 60 nodos, 4 territorios y una tolerancia de 5% para cada una de las actividades. Tabla I. Datos de experimentación. Sufijo de instancia N p τa (%) DU60-04-05 60 4 5.00 DU80-05-05 80 5 5.00 DU100-06-05 100 6 5.00 En la primera columna de la tabla II se señala el nombre con el que se identifica cada instancia. La siguiente columna muestra los valores de la función objetivo al optimizar el modelo TDPM (fm(xm)). En la tercera columna (fc(xm)) se tiene el valor de la función objetivo de TDPC evaluado con la solución óptima del modelo de TDPM. El valor de la cuarta columna (fm(xc)) representa lo opuesto a la tercera, ya que se evalúa la solución óptima del modelo TDPC dentro del modelo de TDPM. En la columna número cinco (fc(xc)) se tiene el valor óptimo de la función objetivo del modelo TDPC. Las últimas dos columnas reflejan las diferencias relativas del modelo TDPM y TDPC, respectivamente calculándolas de la siguiente manera: DRM = f m ( xc )− f m ( xm ) f ( x )− f c ( xc ) DRc = c m f m ( xm ) f c ( xc ) En la parte izquierda de la figura 2 se observa la solución óptima para la instancia DU60-0405-04 utilizando el modelo TDPM. Dentro de esta gráfica se aprecian los nodos distribuidos en cuatro territorios de tal forma que se cumple con la conexidad entre cada uno de los nodos pertenecientes Tabla II. Resultados: 60 nodos, 4 territorios y 5% de tolerancia. Nombre instancia 26 xc xm DRM (%) DRC (%) 168.66 12.82 38.88 176.14 9.63 14.37 5874.58 165.38 4.94 11.78 258.21 6278.13 188.14 5.77 37.24 213.08 5962.00 179.98 12.42 18.39 5253.94 159.68 5647.49 158.72 7.49 0.60 DU60-04-05-07 5460.17 234.24 6247.44 168.36 14.42 39.13 DU60-04-05-08 5309.96 228.86 5862.49 178.56 10.41 28.16 DU60-04-05-09 5224.51 181.89 6344.72 173.73 21.44 4.70 DU60-04-05-10 5350.15 181.06 5607.09 152.34 4.80 18.86 DU60-04-05-11 5150.91 222.50 6910.35 183.90 34.16 20.99 DU60-04-05-12 5597.50 232.53 6193.97 178.87 10.66 29.99 DU60-04-05-13 5731.98 199.75 6731.70 184.35 17.44 8.35 DU60-04-05-14 5462.95 212.61 5887.73 181.29 7.78 17.28 DU60-04-05-15 5332.77 221.40 6105.17 164.14 14.48 34.89 DU60-04-05-16 5399.54 214.09 6083.78 173.37 12.67 23.49 DU60-04-05-17 5602.85 209.10 6096.18 173.74 8.80 20.35 DU60-04-05-18 5773.95 232.96 6494.64 189.28 12.48 23.08 DU60-04-05-19 5543.44 200.15 6215.93 177.99 12.13 12.44 DU60-04-05-20 5543.44 200.15 6565.13 181.45 18.43 10.30 Media 12.66 20.66 fm(xm) fc(xm) fm(xc) fc(xc) DU60-04-05-01 5460.17 234.24 6160.43 DU60-04-05-02 5451.68 201.45 5976.66 DU60-04-05-03 5597.87 184.87 DU60-04-05-04 5935.66 DU60-04-05-05 5303.19 DU60-04-05-06 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Comparación de métricas de dispersión en optimización de sistemas territoriales comerciales / Brenda Aide Peña Cantú, et al. al territorio, al igual que el balance de éste. Cada territorio está marcado con un color y tipo de línea diferente, cada nodo se encuentra señalado con un círculo, que representa el promedio de los pesos de cada una de las actividades. Los círculos marcados con una cruz roja son los centros de cada uno de los territorios formados. Los círculos señalados con una cruz negra son los nodos más alejados al centro de cada territorio. Como se aprecia en la gráfica, se ha señalado con una flecha a la mayor de estas distancias con un valor de 258.21. En la parte derecha de la figura 2 se muestra la gráfica correspondiente a la solución óptima del modelo TDPC para misma instancia, donde se aprecia la distribución de los territorios respecto a la medida de dispersión p-centro y asimismo se indica con una flecha la mayor distancia a la cual le corresponde un valor de 188.14. Como se contempla en la figura 2, la distancia del centro al nodo más alejado mostrado en la solución del modelo TDPC es menor a la máxima distancia del centro del territorio al nodo más lejano para el modelo con métrica TDPM, esto muestra una gran disimilitud respecto a la configuración de las soluciones de ambos modelos. Diseños similares se obtuvieron con otras instancias del mismo tamaño. En la tabla III, se muestran los resultados obtenidos para las instancias de 80 nodos, 5 territorios y 5% de tolerancia respecto a cada actividad. Al igual que en la figura 2, la figura 3 presenta una comparación gráfica entre las dos soluciones óptimas correspondientes a cada uno de los modelos estudiados para una instancia en particular. En la parte izquierda se muestra la solución óptima para la instancia utilizando el modelo TDPM. Dentro de esta gráfica se aprecian los nodos distribuidos en Tabla III. Resultados: 80 nodos, 5 territorios y 5% de tolerancia. Nombre instancia DU80-05-05-01 DU80-05-05-02 DU80-05-05-03 DU80-05-05-04 DU80-05-05-05 DU80-05-05-06 DU80-05-05-07 DU80-05-05-08 DU80-05-05-09 DU80-05-05-10 DU80-05-05-11 DU80-05-05-12 DU80-05-05-13 DU80-05-05-14 DU80-05-05-15 DU80-05-05-16 DU80-05-05-17 DU80-05-05-18 DU80-05-05-19 DU80-05-05-20 xc xm fm(xm) 6600.56 6408.82 6958.05 6900.16 6280.58 6521.08 6455.97 6680.28 6650.20 6534.77 6539.55 6703.55 6285.66 6615.80 6990.43 6391.66 6766.01 6808.45 6643.17 6873.61 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 fc(xm) 230.40 192.30 194.84 209.30 184.85 238.58 187.40 213.98 177.37 179.28 191.00 186.52 181.63 199.70 239.15 201.13 227.49 175.54 183.33 185.17 fm(xc) fc(xc) 7297.67 7183.43 7886.62 7848.35 6825.27 7302.45 7048.03 7525.30 7410.03 7461.49 7119.01 7604.56 6565.02 7215.14 7732.07 6960.89 7781.65 7676.38 7713.52 7257.61 162.88 150.83 153.26 159.54 142.96 163.86 147.06 165.50 155.44 156.74 152.76 165.08 149.62 150.87 158.22 147.27 167.25 164.14 167.64 149.03 Media DRM (%) DRC (%) 10.56 12.09 13.35 13.74 8.67 11.98 9.17 12.65 11.43 14.18 8.86 13.44 4.44 9.06 10.61 8.91 15.01 12.75 16.11 5.59 11.13 41.45 27.50 27.13 31.19 29.31 45.60 27.43 29.29 14.11 14.38 25.03 12.98 21.39 32.37 51.15 36.57 36.02 7.20 9.36 24.25 27.18 27 �Comparación de métricas de dispersión en optimización de sistemas territoriales comerciales / Brenda Aide Peña Cantú, et al. Fig. 2. Comparación de soluciones para DU60-04-05-04. En la version de esta revista en internet podrá apreciar los colores de esta gráfica. Fig. 3. Comparación de soluciones óptimas para DU80-05-05-15. En la version de esta revista en internet podra apreciar los colores de esta grafica. cinco territorios de tal forma que se cumple con la conexidad entre cada uno de los nodos pertenecientes al territorio al igual que el balance del éste. Como se aprecia en la gráfica, se ha señalado con una flecha a la mayor de estas distancias con un valor de 239.15. En la parte derecha de la figura 3 se muestra la gráfica correspondiente a la solución óptima del modelo TDPC y asimismo se ha indicado con una flecha la distancia del centro del territorio al nodo más alejado, la cual le corresponde un valor de 158.22. Como se contempla en la figura 3, la distancia respecto 28 el centro del territorio al nodo más alejado para la solución del modelo TDPM es mayor que la distancia del centro al nodo más alejado del modelo diseñado con métrica TDPC. En la tabla IV. se muestran los resultados obtenidos para instancias de 100 nodos, 6 territorios y 5% de tolerancia. En la figura 4 se muestra una comparación gráfica entre las dos soluciones óptimas correspondientes a cada uno de los modelos estudiados para la instancia DU100-06-05-18. En el lado izquierdo se muestra la solución óptima para Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Comparación de métricas de dispersión en optimización de sistemas territoriales comerciales / Brenda Aide Peña Cantú, et al. Tabla IV. Resultados: 100 nodos, 6 territorios y 5% de tolerancia. Nombre instancia xc xm DRM (%) DRC (%) 144.85 12.74 31.96 145.59 20.66 12.70 8426.37 139.96 12.22 35.72 8168.55 145.77 7.74 17.66 154.91 8362.21 139.45 9.89 11.09 7242.99 215.87 8409.74 145.38 16.11 48.48 7432.68 167.94 8649.67 137.24 16.37 22.37 DU100-06-05-08 7052.89 193.20 7622.25 139.78 8.07 38.22 DU100-06-10-09* 7181.50 186.67 8077.48 130.65 11.76 37.88 DU100-06-05-10 7432.88 155.24 8026.26 135.38 4.65 19.08 DU100-06-05-11 6829.47 166.54 7778.81 130.36 13.90 27.75 DU100-06-05-12 7461.20 184.80 8269.36 139.79 10.83 32.20 DU100-06-05-13 7061.61 178.02 8556.59 145.10 21.17 22.69 DU100-06-05-14 7825.61 150.44 8172.43 142.82 4.43 5.34 DU100-06-05-15 7158.74 153.46 7780.01 134.11 8.68 14.43 DU100-06-05-16 7653.15 246.00 8103.65 137.25 5.89 79.24 DU100-06-05-17 6880.47 157.11 7799.50 139.10 13.36 12.94 DU100-06-05-18 7438.50 260.75 8517.43 141.00 14.50 85.12 DU100-06-05-19 7152.04 186.88 8158.47 139.97 14.07 33.51 DU100-06-05-20 7590.09 222.65 8236.56 149.78 8.52 48.65 Media 11.78 31.85 fm(xm) fc(xm) fm(xc) fc(xc) DU100-06-05-01 7370.14 191.15 8309.21 DU100-06-05-02 7278.42 164.07 8782.35 DU100-06-05-03 7508.51 189.95 DU100-06-05-04 7581.56 171.51 DU100-06-10-05* 7609.49 DU100-06-05-06 DU100-06-05-07 Fig. 4. Comparación de soluciones óptimas para DU100-06-05-18. En la version de esta revista en internet podra apreciar los colores de esta gráfica. la instancia utilizando el modelo TDPM. Dentro de esta gráfica se aprecia los nodos distribuidos en seis territorios. Como se puede observar, se ha señalado Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 con una flecha a la mayor de estas distancias con un valor de 260.75. En la parte derecha se muestra la gráfica correspondiente a la solución óptima del 29 �Comparación de métricas de dispersión en optimización de sistemas territoriales comerciales / Brenda Aide Peña Cantú, et al. modelo TDPC y asimismo se ha indicado con una flecha la distancia del centro del territorio al nodo más alejado, la cual le corresponde un valor de 140.85. Como se observa en la figura 4, la distancia respecto el centro del territorio al nodo más alejado para la solución del modelo TDPM es mayor que la distancia del centro al nodo más alejado del modelo diseñado con métrica TDPC. Es decir, que el valor de la solución óptima del modelo TDPM evaluada en la función objetivo del modelo TDPC tiene un valor aceptable, pero no óptimo. En la tabla V se muestra el tiempo empleado, en segundos, para resolver cada una de las instancias. La primera columna indica el nombre de la instancia, seguido por la columna que indica el tiempo de solución del modelo TDPM y por último la columna en donde se observa el tiempo requerido para solucionar el modelo TDPC. Como se aprecia, existe una diferencia considerable entre los tiempos Tabla V. Tiempos de solución para instancias de 100 nodos, 6 territorios y 5% de tolerancia. Nombre instancia 30 Tiempos de solución (seg) TDPM TDPC DU100-06-05-01 444 31084 DU100-06-05-02 138 13520 DU100-06-05-03 72 10394 DU100-06-05-04 25 76985 DU100-06-10-05* 144 11871 DU100-06-05-06 62 16548 DU100-06-05-07 19 28889 DU100-06-05-08 18 61194 DU100-06-10-09* 43 76113 DU100-06-05-10 45 12663 DU100-06-05-11 21 19713 DU100-06-05-12 22 22894 DU100-06-05-13 19 13779 DU100-06-05-14 19 64787 DU100-06-05-15 155 76161 DU100-06-05-16 423 21519 DU100-06-05-17 111 12208 DU100-06-05-18 52 11845 DU100-06-05-19 20 17639 DU100-06-05-20 100 19683 Media 97.6 30974.45 de un modelo y otro, ya que el tiempo de solución promedio del modelo TDPM es de 97.6 segundos, en cambio para el modelo TDPC se estima un tiempo promedio de 30974.45 segundos. CONCLUSIONES Como se vio en los resultados anteriores, el análisis realizado nos da una perspectiva clara en la que se sabe con seguridad que el modelo de dispersión TDPC muestra resultados superiores a los obtenidos con el modelo TDPM. En los tres tamaños de instancias utilizados se demuestra que una transición del modelo TDPC al modelo TDPM es preferible a un cambio del modelo TDPM a TDPC. Es decir, si se toma una solución hallada con el modelo TDPC y se evalúa en el TDPM se tendrá una menor desviación relativa. Conforme se incrementa el tamaño de las instancias, se advierte como hay un incremento en la diferencia entre los intervalos de optimalidad relativa calculados para ambos modelos matemáticos. Esto quiere decir que se tiene una superioridad en el modelo de p-centro con respecto al modelo diseñado con la métrica de p-mediana. Pero también se observa cómo los tiempos de solución se vuelven cada vez más grandes, esto es que mientras se va aumentando el tamaño del territorio el tiempo de solución se ve afectado. En conclusión, el modelo TDPC es más robusto que el TDPM pero con tiempos de solución significativamente mayores para instancias de 100 nodos. De tal modo se concluye que, si se selecciona la solución del modelo TDPM y al final resulta que el modelo TDPC fuera el más apropiado, las soluciones obtenidas con el modelo TDPM se desviarán en promedio 20.66%, 27.18% y 31.85% para las instancias de 60, 80 y 100 nodos, respectivamente, del óptimo del modelo TDPC. Por otra parte, si se selecciona la solución del modelo TDPC y posteriormente resulta que el modelo de dispersión TDPM es más conveniente, las soluciones obtenidas con el modelo TDPC se desviarán del óptimo del modelo TDPM en promedio un 12.66%, 11.13% y 11.78% para las instancias de 60, 80 y 100 nodos, respectivamente, es decir que el modelo TDPC resulta ser más robusto. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Comparación de métricas de dispersión en optimización de sistemas territoriales comerciales / Brenda Aide Peña Cantú, et al. Es de suma importancia declarar que los tiempos de solución del modelo denominado TDPC son considerablemente mayores a los del modelo TDPM, es decir, que se cuenta con un beneficio por ser más robusto pero con mayores tiempos de solución. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido apoyado por el PAICYT de la UANL (apoyo IT511-10) y por el CONACYT (apoyos CB05-01-48499-Y y CB11-01-166397). Brenda Aide Peña Cantú fue apoyada por una beca de Verano Científico del PROVERICYT de la UANL. REFERENCIAS 1. S. I. Caballero Hernández. Un procedimiento de búsqueda voraz, aleatorizado y adaptativo para el diseño eficiente de territorios de atención comercial con requerimientos de asignación conjunta. Tesis de maestría, FIME, UANL, San Nicolás de los Garza, México, Mayo 2008. 2. Fleischmann y J. N. Paraschis. Solving a large scale districting problem: A case report. Computers and Operations Research, 15(6):521533, 1988. 3. A. A. Zoltners y P. Sinha. Sales territory alignment: A review and model. Management Science, 29(11):1237-1256, 1983. 4. B. Bozkaya, E. Erkut y G. Laporte. A tabu search heuristic and adaptive memory procedure for political districting. European Journal of Operational Research, 144(1):12-26, 2003. 5. J. A. George, B. W. Lamar y C. A. Wallace. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 Political district determination using large-scale network optimization. Socio-Economic Planning Sciences, 31(1):11-28, 1997. 6. P. Grilli di Cortona, C. Manzi, A. Pennisi, F. Ricca y B. Simeone. Evaluation and Optimization of Electoral Systems. SIAM Monographs on Discrete Mathematics and Aplications. SIAM, Philadelphia, EUA, 1999. 7. J. C. Williams Jr. Political redistricting: A review. Papers in Regional Science, 74(1):13-40, 1995. 8. J. A. Segura Ramiro. Un algoritmo de localizaciónasignación para el diseño eficiente de planes territoriales de uso comercial. Tesis de maestría, FIME, UANL, San Nicolás de los Garza, México, Junio 2008. 9. E. Erkut y S. Neuman. Comparison of models for dispersing facilities. INFOR, 29(2):68-83, 1990. 10. M. A. Salazar-Aguilar, R. Z. Ríos-Mercado y M. Cabrera-Ríos. New models for commercial territory design. Networks and Spatial Economics, 11(3):487-507, 2011. 11. T. H. Cormen, C. E. Leiserson, R. L. Rivest y C. Stein. Introduction to Algorithms. 2a Edición. McGraw-Hill, Cambridge, EUA, 2001. 12. ILOG, S.A. CPLEX 11.2 Online documentation, 2003. ftp://ftp.software.ibm.com/software/ websphere/ilog/docs/optimization/cplex/ps_ usrmancplex.pdf 13. B. A. Peña Cantú. Evaluación de métricas de dispersión en sistemas territoriales. Tesis de licenciatura. FIME, UANL, San Nicolás de los Garza, México, Octubre 2011. 31 �Grandes inversiones Gabriel Zaid RESUMEN La relación entre empleo y grandes inversiones en México es abordada en este artículo, tanto para el caso de empresas nacionales como extranjeras. Se discute la necesidad de diversificar las políticas de inversión en México en el sentido de que debe promoverse también la creación de empresas generadoras de empleos, generalmente pequeñas y poco llamativas, pero que coadyuvan al progreso y a evitar que los mexicanos tengan que buscar trabajo en el extranjero. PALABRAS CLAVE México, empresas, inversión, empleo, políticas. ABSTRACT The relation between employ and great investments in Mexico is described in this article, as much for the case of national companies like foreigners. The necessity to diversify the policies of investment in Mexico is discussed in the sense that must also be promoted the creation of employ generating companies, generally small and little glamorous, but that help to the progress and to avoid that the Mexicans must look for work abroad. KEYWORDS Mexico, companies, investment, employ, policies INTRODUCCIÓN En “Las 25 empresas que más invirtieron” en México en 2010 (Expansión, 17-31 de enero 2011), la inversión promedio fue de 500 millones de dólares. Encabeza la lista Goldcorp, minera canadiense que completó sus inversiones de 1,500 millones de dólares en dos minas a cielo abierto para extraer oro, plata, plomo y zinc en Zacatecas. Creó 2,500 empleos en un estado que expulsa población en busca de oportunidades. Según el Consejo Nacional de Población (Geografía de la migración México-Estados Unidos), Zacatecas es el estado con mayor intensidad migratoria. Se dice que hay más zacatecanos en los Estados Unidos que en Zacatecas. ¿Frenarán las minas de Goldcorp la emigración? Algo, sobre todo considerando los empleos indirectos; pero no tanto, aunque su producción de oro sea la mayor del continente, y su producción de plata la segunda en el mundo. Invertir 600,000 dólares para crear un empleo (1500 / 2500) no permite crear muchos. Un millón de 32 Artículo publicado en Reforma, el 24 de abril de 2011. Reproducido con la autorización del autor. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Grandes inversiones / Gabriel Zaid empleos semejantes exigiría una inversión equivalente a 400 veces la de Goldcorp: algo así como el 60% del PIB, cosa absolutamente imposible. No es el caso extremo. Volkswagen está invirtiendo en Puebla 550 millones de dólares en un proyecto que generará 700 empleos; o sea que invertirá 800,000 dólares por empleo. Praxair invirtió 150 millones de dólares en plantas procesadoras de gases industriales en Nuevo León y generó 150 empleos: un millón de dólares por empleo. Tenaris (la siderúrgica argentina que compró Tubos de Aceros de México) terminó una nueva planta en Veracruz con una inversión de 850 millones de dólares y generó 600 empleos: 1.4 millones de dólares por empleo. Gran Coral, inmobiliaria española, anuncia que en los próximos diez años invertirá 5,000 millones de dólares en Quintana Roo y generará 2,000 empleos: 2.5 millones de dólares por empleo. ProMéxico (órgano promotor del gobierno federal) declaró a la revista que las nuevas inversiones extranjeras superaron sus metas. Esperaba atraer 5,100 millones de dólares en 2010, y para octubre había logrado casi el doble: 9,070 en 57 proyectos que van a generar 20,337 empleos. Con tales éxitos (446,000 dólares por empleo), jamás se alcanzarán las metas de empleo, aunque se rebasen las de inversión. Según El Universal (1 de febrero 2011), el Grupo Carso anunció inversiones en México por $44,650 millones (unos 3,600 millones de dólares) que generarán 20,000 empleos directos e indirectos. Suponiendo que los directos sean Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 10,000, la inversión será de 360,000 dólares por empleo. Según Reforma (25 de febrero y 3 de marzo 2011), Walmart anunció inversiones en México por $14,090 millones (unos 1,100 millones de dólares) que crearán 20,000 empleos: 55,000 dólares por empleo; mientras que Ternium (la siderúrgica argentina que compró Hojalata y Lámina) anunció inversiones en Monterrey de 2,300 millones de dólares que crearán 500 empleos: 4.6 millones de dólares por empleo. Abundan los empleos microempresariales que pueden crearse con mil dólares. Si Goldcorp hubiera invertido en eso, habría creado 1.5 millones de empleos y resuelto el problema del país (no sólo Zacatecas) por un año. En forma semejante, los 57 proyectos de ProMéxico habrían generado 9.1 millones de empleos, cantidad que rebasa las metas para todo el sexenio; más 3.6 de Carso, 1.1 de Walmart y 2.3 de Ternium. ¿Hay que desalentar, entonces, las grandes inversiones? Por supuesto que no. Pero no hay que hacer cuentas alegres. Las inversiones intensivas de capital ayudan a competir en el mundo trasnacional intensificando la productividad laboral. Por lo mismo, no pueden ser la solución para el empleo. Producir más con menos gente hace más productivos a los que conservan el empleo, no a los que salen sobrando. En las cifras anuales que publica Expansión sobre las 500 mayores empresas de México está claro que las grandes inversiones pueden aumentar la producción sin aumentar el personal. Los países donde sobra capital, pero falta gente (hasta el punto de que necesitan importar mano de obra), desarrollan tecnologías que permitan producir más con poca gente. Los países donde falta capital y sobra gente (hasta el punto de expulsarla) necesitan tecnologías que permitan producir más con poco capital. En ambos casos aumenta la productividad, pero de maneras distintas, que responden a situaciones diferentes. Usar grandes dosis de capital para aumentar 20% o 30% la productividad de los que ya alcanzaron un buen nivel productivo está bien. Pero usar pequeñas dosis para aumentarla 200% o 300% en los de nivel más bajo está mejor: le saca más partido al capital (lo vuelve más rentable, genera más empleo, hace crecer más el PIB). 33 �Grandes inversiones / Gabriel Zaid Esta oportunidad no se aprovecha porque las pequeñas inversiones no tienen sex appeal. Son sumamente productivas, pero no atraen los reflectores. La vanguardia económica de México está orgullosa (y con razón) de que cada vez más mexicanos demuestran que son iguales o superiores a sus contrapartes internacionales. Pero se resiste a creer que el México pobre tiene que recorrer el camino de los países que hoy son ricos: Empezaron por producir más con poco capital, antes de producir más con poco personal. 34 No aceptar las etapas intermedias y empezar por el final es perfectamente posible para una parte de la población. Para el resto no queda más que irse a donde falta mano de obra y sobra capital. Nuestras políticas económicas han tenido los ojos puestos en la cumbre, no en la base, de la pirámide. Por eso han creado millones de empleos para el México pobre... en los Estados Unidos. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Comparación del ruido dentro de camiones urbanos, con y sin aire acondicionado, en Monterrey, México Fernando Javier Elizondo GarzaA, Jorge Alejandro Cúpich GuerreroA, Ramón Cantú CuéllarB A B Laboratorio de Acústica, FIME-UANL Academia de Estadística e Investigación de Operaciones, FIME-UANL jorge.cupichg@uanl.mx , fjelizon@hotmail.com , ramon_cantu@yahoo.fr RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados de mediciones del nivel sonoro en el interior de camiones del sistema de transporte urbano colectivo de la ciudad de Monterrey, México, en condiciones típicas de operación. Se comparan las unidades con sistema de aire acondicionado, los cuales transitan con las ventanas cerradas, contra las unidades sin ese sistema, que, debido a las altas temperaturas de la ciudad, circulan con las ventanas abiertas. Se discuten las diferencias en los niveles medidos encontrados entre camiones con y sin aire acondicionado y se enlistan las fuentes encontradas durante las mediciones que reducen o anulan las ventajas básicas acústicas de los camiones con clima, entre los que se encuentran los relativos al propio camión, como son sus condiciones mecánicas y el manejo del mismo, así como los producidos por los pasajeros o el entorno urbano. PALABRAS CLAVE Ruido, camiones, transporte colectivo, aire acondicionado. ABSTRACT This paper presents the results of measurements of sound level under typical operation conditions inside buses of the collective transport system in the city of Monterrey, Mexico. The buses with air conditioning system, that operate with the windows closed, and the buses without air conditioning system, which transit with open windows due to the high temperatures in the city, are composed. The differences in the measurement are discussed and the sound sources that reduce the acoustic comfort in the buses such as the mechanical condition and the driver style, as well the produced by the passengers and the urban environment, are listed. KEYWORDS Noise, buses, urban transportation, air conditioning. INTRODUCCIÓN El Área Metropolitana de la ciudad de Monterrey (AMM), es una zona conurbada, que incluye 9 municipios, y en la que habitan, según el último conteo y delimitación oficial de INEGI en 2010,1 más de 3;930,000 personas, de las cuales Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 35 �Comparación del ruido dentro de camiones urbanos, con y sin aire acondicionado... / Fernando Javier Elizondo Garza, et al. un alto porcentaje debe transportarse dentro de esta área, en recorridos que típicamente pueden durar más de media hora, estimándose que diariamente un total de 1,650,600 personas (44.2 %) lo hace mediante el sistema de transporte público. La necesidad de transporte urbano en el AMM se satisface mediante: metro, taxis y camiones de transporte colectivo, estos últimos denominados popularmente como “camiones urbanos”. En cuanto a las rutas de los camiones del transporte público éstas se clasifican como: rutas radiales, rutas periféricas, metrobús, microbús y circuitos locales; estimándose que existen 4,947 vehículos que cubren las distintas rutas urbanas, las cuales son ampliamente utilizadas por ser la forma más económica de traslado. En el año 2009 había 78 rutas radiales, 21 rutas periféricas, 10 rutas de metrobús, 26 rutas de microbús y 3 rutas de circuitos locales. La ciudad de Monterrey, México, se caracteriza por ser una ciudad calurosa, con temperaturas máximas diarias en el verano de alrededor de los 40oC a la sombra, como se puede observar en los registros mostrados en la figura 1 correspondientes a las temperaturas en agosto de 2009.2 Fig. 1. Registro de las temperaturas, máxima y mínima, en Monterrey, N.L., México (agosto de 2009). Con el fin de ofrecer un servicio con mayor comodidad, se pusieron en operación algunas unidades climatizadas de transporte público.3 Esto representa un costo de operación mayor, el que se estima los pasajeros estarán dispuestos a pagar como un incremento de las tarifa a cambio de esa comodidad, especialmente en recorridos largos. En la tabla I se muestra como referencia el esquema tarifario para el año 2011 del servicio de transporte público en el AMM publicado en el periódico Oficial del Estado de Nuevo León de fecha 3 de diciembre de 2010.4 36 Tabla I. Tarifas del Transporte Público para el año 2011 para el Área Metropolitana de la ciudad de Monterrey (fragmento).4 Camiones Panorámicos Panorámica Radial Panorámica Periférica Panorámica Minibús Panorámica Suburbano Ordinaria $ 7.50 Preferente $ 4.50 Ordinaria $ 8.00 Preferente $ 4.50 Ordinaria $ 7.50 Preferente $ 4.50 Ordinaria $ 11.63 Preferente $ 6.23 Se autorizó un cobro adicional, con base en las tarifas aquí establecidas de $1.00 para las nuevas unidades que presten “servicio climatizado”, previa verificación de la calidad de los sistemas de aire acondicionado. Se autorizó un cobro adicional, con base en las tarifas aquí establecidas de $ 1.00 para las nuevas unidades que presten “servicio climatizado”, previa verificación de la calidad de los sistemas de aire acondicionado. La utilización del aire acondicionado, implica que los camiones viajen con las ventanas cerradas, mientras que en el caso de los camiones sin aire acondicionado, las ventanas están abiertas durante la mayor parte del año, (figura 2). Desde el punto de vista ideal los camiones con aire acondicionado deberían además ofrecer un mayor confort acústico a los pasajeros, ya que con las ventanas cerradas se reducen los niveles de ruido del exterior, lo cual implicaría mejores condiciones en el interior para conversar o relajarse. Este aspecto fue mencionado por los camioneros y autoridades como una posible ventaja extra de las unidades climatizadas y una razón más para pagar $1.00 extra. Este trabajo evalúa el ruido que llega a los usuarios que viajan en el interior de los camiones, con el fin de cuantificar la diferencia entre el ruido recibido por las personas en unidades con y sin aire acondicionado. Esta evaluación considera condiciones normales de recorrido, lo que implica que las fuentes de ruido externas e internas del camión no fueron excluidas durante las mediciones, lo que ofrece la evaluación de las condiciones acústicas típicas, en vez de las mejores posibles o ideales. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Comparación del ruido dentro de camiones urbanos, con y sin aire acondicionado... / Fernando Javier Elizondo Garza, et al. Las mediciones se realizaron durante la temporada de calor, en el mes de agosto, en días laborales (lunes a viernes), durante horas pico (12:00 a 14:00 h y 17:00 a 19:00 h), en camiones que circulaban por una avenida con alto volumen de tráfico, y alta proporción de camiones, con edificaciones a su alrededor, que implican reverberación, y paradas continuas para bajar y subir pasaje (en Monterrey cada esquina puede ser una parada), lo que implica acelerones y enfrenones, acciones que pueden influir en la emisión de ruido dependiendo del estilo de manejo del chofer (figura 3). Fig. 2. Camiones típicos. Arriba se muestra una de las unidades climatizadas y abajo la unidad no climatizada, en la cual se puede observar que las ventanas están abiertas. METODOLOGÍA DE LA MEDICIÓN Con el fin de que los resultados consideren la mayoria de los factores que influyen en el ruido recibido por los pasajeros, se decició hacer las mediciones en campo, y en operación normal y típica de la unidad de transporte.5,6,7,8 Se considera que el nivel de ruido que llega a los pasajeros durante los recorridos normales de los camiones por la ciudad son la suma de los sonidos producidos por varias fuentes, tanto externas como internas, tales como vendedores ambulantes, equipos de sonido en negocios cercanos, tráfico vehicular, las condiciones mecánicas especificas del camión, las personas hablando, cantando o con radios dentro del camión y por suspuesto los posibles casos en que sus sistemas de aire acondicionados sean ruidosos.9,10 Las mediciones en campo, y en operación normal y típica de la unidad de transporte siguiendo las sugerencias del manual de medición de ruido.11 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 Fig. 3. Fotos de la Av. Juárez, en el centro de la ciudad de Monterrey, N.L., México, calle con alta densidad de tráfico de camiones, rodeada de edificios de uso mayoritariamente comercial. Observe que la probabilidad de influencia de ruido exterior debido a otros camiones cercanos es alta. En la imagen superior se aprecian tres camiones que pueden arrancar al mismo tiempo pasando uno junto a otro, produciendo un alto ruido que entrará por las ventanas al interior de las unidades. Sobre la selección de las rutas y camiones Se decidió medir ruido en 20 camiones climatizados y en 20 no climatizados, sumando 40 mediciones en total. Un grupo empresarial de camioneros interesado en la realización de este estudio puso a nuestra disposición sus vehículos climatizados de las rutas 1 y 18, mientras que las mediciones en camiones sin climatización se realizaron en la ruta 42. 37 �Comparación del ruido dentro de camiones urbanos, con y sin aire acondicionado... / Fernando Javier Elizondo Garza, et al. Para fines de la comparación las rutas coincidían en su recorrido con el trayecto seleccionado para realizar las mediciones, las cuales se efectuaron a lo largo de la Av. Juárez, (figura 4), entre las calles Tapia y Ocampo (recorrido de 14 calles que implican una distancia de 1,490 metros aproximadamente), en el centro de Monterrey, dada la semejanza con las condiciones en campo necesarias, especificadas anteriormente. Fig. 5. Distribución típica de asientos en las unidades de transporte urbano indicando en negro los posibles lugares de ubicación de la persona con el sonómetro. Fig. 6. Imagen que muestra la altura del sonómetro durante las mediciones, aproximadamente la altura del oído. Fig. 4. Mapa del centro de la ciudad de Monterrey donde se indica en negro el recorrido de los camiones durante las mediciones sonoras. Sobre el punto de medición El punto de medición se ubicó al centro de la unidad, en cualquiera de los asientos marcados en negro en la figura 5, buscando estar en el área central del camión. El micrófono se colocó a la altura promedio del oído de las personas que viajaban sentadas en los camiones, buscando que los valores medidos de ruido sean representativos de los recibidos por los pasajeros que viajan sentados (figura 6). 38 Equipo utilizado El equipo utilizado para realizar las pruebas y procesar los resultados fue: * Sonómetro Integrador, CESVA, modelo SC310.12 * Computadora DELL, Pentium 4. * Software CESVA Capture Studio, version 2.6.1. * Microsoft Windows XP Professional, version 2002 service pack 2. * Microsoft Office Professional, edition 2003. El equipo de medición cumple con las normas internacionales en vigor. Parámetros medidos El medidor sonoro fue configurado para mostrar en pantalla el nivel de ruido en dB(A) en respuesta lenta (LAS), al tiempo que almacenaba en su memoria la información requerida para evaluar el siguiente parámetro Leq o LA: • Nivel de presión sonora equivalente del período de medición (Leq o LAt). Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Comparación del ruido dentro de camiones urbanos, con y sin aire acondicionado... / Fernando Javier Elizondo Garza, et al. Después de hacer la medición se colectaron los registros con la ayuda del programa de cómputo CESVA Capture Studio instalado en una PC en ambiente Windows, obteniendo así la información registrada en el medidor y efectuando un procesamiento inicial de datos. Para el análisis posterior, los datos en memoria del medidor se transfirieron y convirtieron a una base de datos Excel y se calcularon los parámetros estadísticos mencionados (figura 7). Otros datos recabados Además durante la toma de lecturas sonoras se recabó información relevante, tal como: fuentes sonoras productoras de ruidos altos, número de pasajeros promedio durante la medición, los lugares donde los pasajeros generaron ruido, el número de paradas que realizó el camión, si abordaron vendedores ambulantes, cantantes. Esta información se registró en un formato como el de la figura 8, el cual además de registrar los datos básicos del camión, el lugar y el responsable de la medición, tiene el propósito de identificar las fuentes sonoras que más influencian negativamente el ambiente acústico dentro de los camiones para posteriores trabajos. Fig. 7. Arriba la información de los registros de medición procesada con el paquete CESVA Capture Studio y abajo los registros en Excel proporcionados por el sistema de medición. Fig. 8. Forma de registro de datos del camión, posicionamiento del micrófono y observaciones. También se obtuvieron gráficas de los niveles sonoros vs. tiempo y de nivel sonoro vs. camión con y sin aire acondicionado. La lectura Leq es la que se ha convertido en la más usada para estudios industriales y ambientales, al tomar en cuenta más eficientemente los picos de ruido y esta especificada en las normas de evaluación de ruido modernas.7 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 RESULTADOS DE LAS MEDICIONES DE RUIDO En la tabla II se muestran los resultados de las mediciones en los 20 camiones sin clima, mientras que en la tabla III se muestran los resultados en los 20 camiones con clima. Los resultados de las mediciones arrojan en general una diferencia entre el ruido recibido por los pasajeros en un camión climatizado y en uno no climatizado. 39 �Comparación del ruido dentro de camiones urbanos, con y sin aire acondicionado... / Fernando Javier Elizondo Garza, et al. Tabla II. Niveles de ruido medidos en camiones sin clima. Camión Leq dB(A) CSC-1 CSC-2 CSC-3 CSC-4 CSC-5 CSC-6 CSC-7 CSC-8 CSC-9 CSC-10 CSC-11 CSC-12 CSC-13 CSC-14 CSC-15 CSC-16 CSC-17 CSC-18 CSC-19 CSC-20 78.2 80.2 74.7 79.7 76.0 78.2 77.7 81.4 78.4 74.2 78.0 74.8 77.8 80.5 74.3 80.4 75.3 74.1 75.8 79.6 Tabla III. Niveles de ruido medidos en camiones con clima. Camión Leq dB(A) CCC-1 CCC-2 CCC-3 CCC-4 CCC-5 CCC-6 CCC-7 CCC-8 CCC-9 CCC-10 CCC-11 CCC-12 CCC-13 CCC-14 CCC-15 CCC-16 CCC-17 CCC-18 CCC-19 CCC-20 74.2 73.1 73.2 73.9 72.9 73.5 72.8 77.4 74.2 75.2 73.5 70.3 77.2 75.3 74.0 74.9 76.1 74.5 73.5 70.9 A partir de los resultados de las tablas anteriores se calcularon los descriptores estadísticos básicos del ruido medido en los camiones para ambos casos, los que se presentan a continuación en la tabla IV. 40 Tabla IV. Descriptores estadísticos básicos de las mediciones del ruido (Leq en dB(A)) para los camiones con y sin aire acondicionado. Camión no Camión Diferencia climatizado climatizado Parámetro Media 77.465 74.030 3.435 Desviación estandard 2.396 1.757 0.639 Error estandar promedio 0.536 0.393 0.143 Mediana 79.675 73.95 5.725 Leq min 74.1 70.3 3.8 Leq max 81.4 77.4 4 Para poder valorar el significado de la diferencia entre los valores sonoros, hay que recordar que la representación de un parámetro en decibeles es logarítmica, y que un incremento de tres decibeles implica el doble en potencia sonora, pero no en la percepción. Es importante observar de la tabla anterior, que el ruido promedio dentro de los camiones, en ninguno de los dos casos analizados resulta confortable desde el punto de vista acústico. Si bien es cierto que no hay una norma mexicana específica para dicha valoración, si hay una cercana que se puede utilizar para comparar, la NOM081-SEMARNAT-1994 Norma Oficial Mexicana “Que establece los límites máximos permisibles de emisión de ruido de las fuentes fijas y su método de medición”,13 la cual es la guía usada actualmente para delimitar el ruido ambiente máximo que una persona debe recibir y que estipula para el día un valor máximo recomendado de 68 dB(A) y de 65 dB(A) para la noche. Fig. 9. Gráficas de los niveles medidos en las unidades con clima y sin clima. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Comparación del ruido dentro de camiones urbanos, con y sin aire acondicionado... / Fernando Javier Elizondo Garza, et al. En la figura 9 se muestran los valores medidos acomodados en orden ascendente, lo que permite observar los rangos y forma de la variación tanto para los camiones climatizados como para los no climatizados. En esta gráfica se pueden observar en ambos casos, climatizado y sin climatizar, que hay ciertas tendencias o regiones en las gráficas las cuales deben estar relacionadas, entre otras, a la presencia de fuentes sonoras percibidas en el interior de los camiones durante las mediciones, listadas en la tabla V, las cuales están relacionadas con el estilo de manejo del chofer, el estado de mantenimiento mecánico del camión, la antigüedad de la unidad, así como a los sonidos producidos por pasajeros. Tabla V. Listan las fuentes de ruidos notorios y molestos percibidas durantes las mediciones. • Pasajeros hablando en voz alta y limosneros (para entenderse deben hablar más fuerte que el ruido de fondo). • Niños gritando o llorando. Personas • Vendedores ambulantes y predicadores (hablando suficientemente fuerte para ser oídos en todo el camión). • Cantantes y show de payasos (algunos con instrumentos, otros con equipos de sonido portátil y otros a capela). • Reproducción de música (a través de Equipos de radios, reproductores y celulares). audio Celulares (timbrando o con audio por bocina). • Ventanas en mal estado que vibran o golpetean. Mal • Puertas que al abrir o cerrar rechinan o golpean. mantenimiento o manejo • Parrilla, rejillas del aire, paneles, del camión asientos o estructuras sueltas que rechinan o golpean. • Ruido de motor. Otros • Ventilador del chofer. • Timbre de aviso de parada. Es claro que hay una relación, pero la intención de este trabajo es comparar los niveles de ruido, y no el establecer las relaciones especificas con las fuentes sonoras que los causan. En la figura 10 se muestran una gráfica típica del nivel sonoro en el interior de un camión climatizado Vs. tiempo, en la cual puede observarse la presencia de picos de ruido debido a los factores comentados anteriormente. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 Fig. 10. Gráfica de nivel sonoro en dB(A) Vs. tiempo medida dentro de un camión con clima. VALIDACIÓN ESTADÍSTICA Los datos de las dos muestras, que corresponden a camiones con y sin clima, se codificaron y procesaron con el paquete estadístico MINITAB14 con el fin de probar su normalidad utilizando la opción de papel de probabilidad normal para un nivel de significancia del 5%, obteniéndose los resultados mostrados en las graficas 11 y 12. Dado que los puntos siguen aproximadamente una línea recta, se prueban que las distribuciones se pueden considerar de tipo normal con el 95% de confianza. Fig. 11. Gráfica de probabilidad normal-datos no agrupados LEQ dB(A) sin clima. Fig. 12. Gráfica de probabilidad normal-datos no agrupados LEQ dB(A) con clima. 41 �Comparación del ruido dentro de camiones urbanos, con y sin aire acondicionado... / Fernando Javier Elizondo Garza, et al. Utilizando la herramienta del paquete SPSS. Versión 815 para la prueba de igualdad de medias, se obtuvieron los resultados mostrados en la tabla VI. En la prueba de Levene para igualdad de varianza se obtiene una significancia de 0.04, que por ser menor de 0.05, implica que las varianzas son diferentes con 95% de confianza, por lo que se considera el valor de t para esta condición. Se puede observar que t es el mismo en ambos casos, por lo que tal diferencia es irrelevante para efectuar la prueba de igualdad de medias. En la prueba t, el valor de 0.000, valor menor que 0.05 en la significancia (2 colas), permite afirmar con 95% de confianza que las medias de las muestras analizadas son diferentes, y que en efecto, los camiones sin clima son más ruidosos estadísticamente hablando. CONCLUSIONES Y COMENTARIOS Los niveles sonoros equivalentes del ruido medidos dentro de los camiones de transporte colectivo, sin clima, variaron entre 74.1 y 81.4 dB(A), con un valor promedio de 77.5 dB(A), mientras que los niveles sonoros equivalentes del ruido medidos dentro de los camiones con clima variaron entre 70.3 y 77.4 dB(A), con un valor promedio de 74.0 dB(A). Estos resultados implican en primera instancia que el ruido que reciben los pasajeros en ambos casos es alto, esto considerando como referencia, en ausencia de una norma especifica, los niveles máximos permisibles indicados por la norma mexicana para el ruido en el ambiente producido por fuentes fijas, que son de 68 dB(A) para el día y de 65 dB para la noche. La diferencia en cuanto al nivel sonoro equivalente entre ambos grupos de camiones en promedio fue de 3.5 decibeles menos en los camiones con aire acondicionado, lo que indica que estadísticamente, para condiciones reales típicas considerando los diferentes factores internos y externos de los camiones, hay ventaja acústica al utilizar los camiones climatizados, por lo que en general el confort acústico y las condiciones para la comunicación oral pueden ser mejores. Sin embargo si se observa la diferencia del 11.1 dB(A) de los casos extremos, o sea: el camión climatizado más silencioso con respecto al camión no climatizado más ruidoso (en condiciones reales típicas), la diferencia es notable, lo que implicaría el tener que hablar fuerte en vez de normal para comunicarse, lo que a su vez incrementan aun más el ruido en el interior del camión. Por otro lado es interesante notar que en condiciones de operación reales y típicas, la mejor circunstancia sin climatización resultó mejor que la peor en camiones climatizados, con diferencias de hasta -3.3 dB(A), lo cual se debe al efecto de contribuciones individuales de cada unidad relacionadas con el mantenimiento del camión o la presencia de fuentes sonoras tanto externas como internas con niveles sonoros que incrementan al ruido normal dentro de la cabina del camión. Tabla VI. Pruebas de hipótesis de la diferencia de varianzas y medias. Prueba de Levene para igualdad de varianzas F Para varianzas iguales LEQ Para varianzas diferentes 42 4.512 Sig. .040 Prueba para igualdar de medias t G.L. Sig. Diferencia (2 colas) de medias Diferencia de error estandar 95% Intervalo de la diferencia con 95% de confinaza Inferior Superior 5.170 38 .000 3.4350 .6644 2.090.01 4.7799 5.170 34.843 .000 3.4350 .6644 2.0860 4.7840 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Comparación del ruido dentro de camiones urbanos, con y sin aire acondicionado... / Fernando Javier Elizondo Garza, et al. AGRADECIMIENTOS Este estudio fue posible gracias al apoyo del Grupo Lazcano que permitió la realización de las mediciones en unidades de transporte urbano de su empresa, al patrocinio de la FIME-UANL, y a la colaboración de: Joel Estrada Jasso, Laura Fabián Guevara , Néstor Ignacio Mosqueda, Ignacio Muñoz Madrigal y Heber Garmendia, alumnos de Servicio Social de la UANL. REFERENCIAS 1. Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI), México. Censo de población y vivienda 2010. http://www3.inegi.org.mx/sistemas/ TabuladosBasicos/Default.aspx?c=27302&s=est Consultado noviembre de 2011. 2. The Weather Chanel. Clima Monterrey, México. Datos históricos agosto 2009, http://espanol. weather.com/weather/almanacMonthlyMonterrey-MXNL0068 Consultada septiembre 2009. 3. Periódico Milenio online. 23 feb 2009. Transporte en Monterrey es caro y tardado. http://impreso. milenio.com/node/8536091 4. Tarifas del Transporte Público para el año 2011. Periódico Oficial del Estado de Nuevo León de fecha 3 de diciembre de 2010 http://nl.gob. mx/?P=tarifas Consultada noviembre 2011. 5. Bruno Sérgio Portela & Paulo Henrique Trombetta Zannin, Analysis of factors that influence noise levels inside urban buses, Journal of Scientific & Industrial Research. Vol. 69, September 2010, pp 684-687. 6. Paulo Henrique Trombetta Zannin, Fabiano B. Diniz, Clifton Giovanini, José A.C. Ferreira. Interior Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 noise profiles of buses in Curitiba. Transportation Research Part D 8 (2003) pp 243-247. 7. Saman Hapuarachchi, D.C. Jayaratna, C. Kalansuriya & A.S. Pannila. Noise level survery inside the inter provincial buses in Sri Lanka. Proceedings of the Technical Sessions, 23 (2007) pp 35-40. Institute of Physics- Sri Lanka. 8. Stephen Dawson. Dangerous Noise Levels on School Buses?. The School Bus. http:// theschoolbus-jkraemer.blogspot.com/p/ dangerous-noise-levels-on-school-buses.html. Consultado marzo 2012. 9. Samir N. Y. Gereges (editor). Ruído e vibrações veiculares. 1a. edición, ISBN 85-87559-05-5. Ed. Universidade federal de Santa Catarina, Brasil, 2005. 10. H.G. Gibbs & T.H. Richards (editors) Stress, vibration and noise analysis in vehicles. ISBN 0-85334-642-9. Appliead Science Publishers, London, 1975 11. Cyril M. Harris. Handbook of acoustical measurements and noise control. Mc Graw Hill. USA 1991. 12. CESVA. Manual de equipo SC310 y programa Capture Studio, versión 2.6.1. España. 13. SEMARNAT/DGN. Norma Oficial Mexican “Que establece los límites máximos permisibles de emisión de ruido de las fuentes fijas y su método de medición” NOM-081-SEMARNAT-1994. 14. John D. McKenzie Jr., Robert Goldman. The Student Edition of MINITAB, Addison-Wesley, USA 1998. 15. SPSS for Windows. Rel.8, Chicago: SPSS Inc 1997. 43 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier José Antonio De la O Serna, Johnny Rodríguez Maldonado Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL jdelao@ieee.org RESUMEN Recientemente se propuso el filtro Taylork-Kalman para estimaciones instantáneas de fasores oscilantes pues reducía abruptamente el nivel de error de estimación por un factor de diez a partir del modelo de segundo orden. En este artículo, se demuestra que para órdenes superiores o iguales a dos, los filtros adquieren respuestas de fase nula y plana alrededor de la frecuencia de operación, lo que garantiza estimaciones instantáneas. El método de respuesta en frecuencia nos condujo al diseño de un filtro más robusto, referido como filtro Taylork-Kalman-Fourier, debido a su modelo de señal multiarmónico. Resulta que el banco de filtros peine logrado con K=0 es equivalente al de la transformada discreta de Fourier (DFT); y el de filtros valla obtenido con K=2 es similar a la transformada Taylor2-Fourier, pero con la ventaja de proveer estimaciones sin retardo, y con un costo computacional inferior al de la transformada rápida de Fourier (FFT). Debido a su característica instantánea, y simplicidad computacional, estos filtros son muy útiles para el análisis y control de oscilaciones armónicas en tiempo real en sistemas de potencia. PALABRAS CLAVE Sincrofasor, estimación fasorial, filtro de Kalman, oscilaciones de potencia. ABSTRACT RecentlyTaylork-Kalman filter was proposed for estimating instantaneous oscillating phasors reducing the estimation error by a 10 factor from the second order model. It was discovered that since K=2 the filters are able to form a zero-flat phase response around the fundamental frequency, and to produce instantaneous oscillating phasor estimates. In this paper, the frequency response of the zeroth and second order filters are established and illustrated. Their high sensitivity to noise lead us to design more robust filters referred to as Taylork-Kalman-Fourier, because of its harmonic signal model. The bank of comb filters achieved with K=0 is equivalent to that of the Discrete Fourier Transform (DFT), and the bank of fence filters achieved with K=2 is similar to that of the Taylor2-Fourier transform, except that their oscillating harmonic estimates are instantaneous (without delay). In addition, because their lower computational complexity, compared with the Fast Fourier Transform (FFT), they are very useful for analisys and control applications in power system. KEYWORDS Synchrophasors, phasor estimates, Kalman filter, power oscillations. 44 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier / José Antonio De la O Serna, et al. INTRODUCCIÓN La estimación fasorial bajo condiciones dinámicas es una área de investigación interesante hoy en día debido a la proliferación de aplicaciones del sincrofasor en redes de área amplia (WANs). Es motivada no sólo por la necesidad de medir los sincrofasores durante oscilaciones, o severos disturbios en el sistema, sino también la frecuencia del sistemas de potencia y su velocidad de cambio en dichas condiciones. La relevancia del tema se ha incrementado debido a la reciente revisión del estándar de sincrofasores, con la sustitución del modelo estático de señal, [referencia1, Secc. 4.1] por uno dinámico; y puesto que el proyecto en revisión [referencia2 B.2] deja al diseñador la elección de la asignación del mejor tiempo de estimación, de acuerdo a un error tolerado. Pero cada método de estimación tiene su propia regla de asignación de tiempo, y por tanto no puede ser arbitraria. Así la norma permite diferentes equipos con diferentes retardos, mientras el error vectorial (fasorial) total (TVE) se encuentre bajo el umbral tolerado. El algoritmo propuesto en este artículo resuelve la ambigüedad de retraso de fase antes mencionado, proporcionando estimaciones inmediatas con nulo retardo de grupo. Las estimaciones fasoriales bajo condiciones dinámicas han sido exploradas en referencias3-4. El uso del método de mínimos cuadrados ponderados (Weighted Least Square, WLS) condujo a la Transformada Taylork-Fourier, mejor adaptada a las condiciones dinámicas que la tradicional transformada discreta de Fourier (Discrete Fourier Transform, DFT), la cual es apropiada únicamente para señales periódicas con coeficientes constantes. Sin embargo las estimaciones de ambos métodos contienen un retardo sistemático. Con la finalidad de resolver este problema, se propuso el filtro de Kalman en referencias5-6 para estimar fasores oscilantes con estimaciones instantáneas. Pero en estos trabajos sólo se consideró el tiempo de respuesta de los llamados filtros Taylork-Kalman (TkK). El propósito de este artículo, cuya versión en Inglés puede encontrarse en referencia 7, es mostrar cómo el método de respuesta en frecuencia ayuda a entender el comportamiento de la estimaciones fasoriales cuando la señal de entrada contiene ruido, o componentes armónicas no contempladas en el modelo de señal anterior. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 Esta interpretación nos guió a una extensión del filtro, el filtro Taylork-Kalman-Fourier, que es capaz de realizar la transformada rápida de Fourier (Fast Fourier Transform, FFT), y la transformada TaylorkFourier (TkFT) con menor costo computacional, y ofreciendo estimaciones inmediatas. En las aplicaciones de medición fasorial el filtro de Kalman ha sido utilizado con un modelo de señal estático, i.e. suponiendo que la frecuencia, amplitud y fase son todas constantes durante la ventana temporal de observación. Su respuesta en frecuencia se ha obtenido por separado para cada estado en referencia 8, o por su parte imaginaria y real en referencia9. Su interpretación en ambos casos es difícil debido a que, en el primer caso, es necesario pensar en términos de dos filtros, y produce complicaciones cuando el número de estados aumenta; y en el segundo, se obtienen dos respuestas en frecuencia, una para el filtro real y otra para el imaginario. De tal forma que es difícil tener una idea de la respuesta en frecuencia del filtro complejo. Por otro lado, el problema en referencia10 es que la respuesta en frecuencia ilustrada es obtenida sin congelar las ganancias de Kalman, por lo que es difícil entender lo que significa una respuesta en frecuencia en el caso de un filtro adaptativo. Otros artículos referentes a la respuesta en frecuencia del filtro de Kalman son los siguientes: en referencia11 se realiza una combinación del KF operando en el dominio temporal y el filtro de Wiener en el dominio frecuencial;12 usa sus características de tiempo-frecuencia para seguimiento de sistemas con múltiples entradas y una salida (MúltipleInput Single-Output,MISO) en aplicaciones de multiplexado por división de frecuencia ortogonal (OFDM);13 suavisa con el filtro de Kalman el espectro obtenido directamente con la FFT; y finalmente en referencia14 se describe el diseño de un sistema de navegación con múltiples sensores usando el KF en tiempo continuo y técnicas clásicas de respuesta en frecuencia, como lo son los diagramas de Bode. Así que comparando la abundantes referencias del filtro de Kalman, los artículos que tratan la respuesta en frecuencia son relativamente pocos y para aplicaciones muy concretas. El filtro TkK propuesto en referencia6 está basado en un modelo de señal en un espacio de estados que incorpora las derivadas de la envolvente compleja de oscilación. Con la ventaja de que puede estimar no 45 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier / José Antonio De la O Serna, et al. sólo el fasor sino también sus derivadas. Se encontró que el TVE se reduce a un décimo a partir de K=2. En este artículo se demuestra que dicha reducción se debe a la habilidad del filtro TkK para alcanzar una respuesta de fase nula alrededor de la frecuencia fundamental, ofreciendo estimaciones instantáneas. El error de estimación fasorial se reduce entonces evitando el retraso. Además de la respuesta en frecuencia de los filtros, nos ayuda a evaluar el comportamiento de estas estimaciones cuando la señal de entrada tiene componentes no considerados en el modelo de señal. El comportamiento de sus frecuencias distintas a la fundamental puede mejorarse al incorporarlas en el modelo de señal. Finalmente, se demuestra que es posible estimar la DFT o la TFT con el filtro TkKF, eliminando el retraso implícito de los filtros de respuesta impulsional finita (FIR). Nuestra investigación fue motivada por la existencia en la literatura de varias soluciones óptimas, como son WLS, Kalman, Shanks, etc. Nuestra pregunta básica fue: ¿Cuál es el método optimum optimorum? y nuestra respuesta hasta ahora es que la optimalidad depende básicamente del subespacio de señal adoptado por cada método. Por ejemplo, el subespacio de la solución WLS para el TkFT es generado por vectores que contienen segmentos centrados de los términos de Taylor. Así estos producen filtros simétricos FIR bilaterales que producen sistemáticamente estimaciones retrasadas. En el caso de Shanks, el subespacio es formado por vectores causales autoregresivos de promedio móvil (ARMA). El subespacio de los filtros TkK es generado por el subespacio del modelo de señal, que es además causal. En los dos últimos casos, la respuesta no está implícitamente retrasada como en el primero. Este trabajo se basa en el algoritmo clásico del filtro de Kalman. La principal contribución es proveer la respuesta en frecuencia usando la matriz de transición de estados, y mostrar que ésta es capaz de lograr filtros de fase nula sobre su frecuencia de operación, y cómo éstos pueden extenderse al conjunto completo de armónicas a través de un modelo de señal multi-armónicas, conduciendo los filtros TkKF. Se discute cómo hacer el análisis espectral con estos nuevos filtros, con un costo computacional menor. En la última sección, el 46 desempeño en la estimación fasorial y sus derivadas es evaluada y comparada con las estimaciones fasoriales obtenidas con la FFT y con la TFT de cuatro ciclos. Note que la FFT corresponde exactamente a la TkFT. Muchos libros de texto inducen a creer que las estimaciones de la DFT son exactas, pero esto es sólo cierto cuando la señal de entrada está en el subespacio de Fourier, que solamente puede contener señales periódicas (con coeficientes de Fourier constantes: ver el teorema de Parseval). Para señales oscilantes, la DFT produce errores significativos como cualquier proyección, especialmente cuando se tienen armónicas oscilantes que salen del subespacio de Fourier, como se verá en los resultados numéricos. La principal contribución es que los filtros TkKF producen estimaciones inmediatas del fasor y sus derivadas, que pueden ser obtenidas de la última muestra de señal disponible y con un menor costo computacional que el de otros métodos conocidos. El artículo es organizado como sigue: en la sección 2, se establece el modelo de señal en espacio de estados con su matriz de transición y se establecen las ecuaciones del filtro de Kalman. En la sección 3 se establece e ilustra la respuesta en frecuencia de los filtros TkK. Su extensión al conjunto completo de armónicas permite obtener el filtro TkKF en la sección 4, en donde su respuesta en frecuencia y su desempeño numérico se compara con el de la FFT y TkFT. Finalmente, la estimación fasorial en oscilaciones teóricas y reales se discute en la sección 5, proporcionando los resultados numéricos previstos por nuestras principales aserciones. MODELO DE SEÑAL Y FILTRO DE KALMAN El modelo de señal del filtro T kK viene de la aproximación de Taylor al modelo de señal pasabanda propuesto en referencia15 para un sistema de potencia oscilante. Su implementación en el filtro de Kalman fue desarrollada en referencia6. En esta sección se reescriben las principales ecuaciones para establecer la notación tal como será implementado en nuestros algoritmos y para facilitar su lectura. Modelo de señal Se utiliza el siguiente modelo de señal: s (t ) = a (t )cos(2πf1t + ϕ(t )) (1) Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier / José Antonio De la O Serna, et al. en el que, α(t) es la amplitud y φ(t) la fase de la señal s(t).La cual se supone pasa banda, i.e. de banda estrecha alrededor de la frecuencia fundamental f1. En términos de la función exponencial compleja, el modelo de señal puede simplificarse como sigue T T (2) − ≤t ≤ s (t ) = Re{ p (t )e j 2 πf1t }, 2 2 en el que p(t)=α(t)ejφ(t) es el fasor dinámico. La función compleja p(t) puede ser aproximada por el K-ésimo polinomio de Taylor centrado en t0: (t − t0 ) K , K! (3) Definiendo el vector de estados con hasta la K-ésima derivada de la aproximación de Taylor, su correspondiente matriz de transición de estados puede encontrarse fácilmente de (3) como sigue: τ2 τK pK (t ) = p (t0 ) + p (t0 )τ + p (t0 ) + + p ( K ) (t0 ) 2! K! pK (t ) = p (t0 ) + p (t0 )(t − t0 ) + pK (t ) = p (t0 ) + p (t0 )τ + + p ( K ) (t0 ) + p ( K ) (t0 ) τ K −1 ( K − 1)! (4) pK( K ) (t ) = p ( K ) (t0 ) o en su forma matricial: p K (t ) = Φ K (τ)p K (t0 ). (5) donde τ = t − t0 , y p K (t ) es el vector de estados, y ⎛ ⎞ τ2 τK ⎜1 τ ⎟ K! 2! ⎜ ⎟ ⎜ τ K −1 ⎟ ⎜ 1 τ ⎟ ( K − 1)! ⎟ ⎜ Φ K (τ) = ⎜ (6) τK −2 ⎟ ⎜ ⎟ 1 ( K − 2)! ⎟ ⎜ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 1 ⎝ ⎠ la matriz de transición. El modelo de señal truncado se obtiene por: sK (t ) = Re{hT p K (t )e j 2 πf1t } = Re{hT rK (t )} (7) donde r(t) es el fasor rotado, y hT extrae sus primeros componentes, i.e. es el vector hT =[10...0], con un 1 en su primer elemento, seguido de K ceros. En términos del vector, la Eq. (5) se convierte en (8) rK (t ) = Φ K (τ)e j 2 πf1τrK (t0 ). Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 Asumiendo t0=(n-1)Ts y t=nTs, donde Ts es el periodo de muestreo (Ts=1/N1f1), se tiene la siguiente transición de estados rotados: (9) rK (n) = Φ K (Ts )ψ1rK (n − 1) jθ1 donde ψ1 es el factor de fase ψ1=e , correspondiente a la frecuencia fundamental en radianes ( θ1 = 2πf1Ts = 2π / N1 ). Finalmente, se tiene la ecuación de transición de estados completa como: ⎞ ⎛ rK (n − 1) ⎞ ⎛ rK (n) ⎞ ⎛ ψ1Φ K (Ts ) 0 ⎟⎜ ⎜ ⎟=⎜ ⎟ , (10) ψ1Φ K (Ts ) ⎠ ⎝ rK (n − 1) ⎠ ⎝ rK (n) ⎠ ⎝ 0 y el modelo truncado de señal: ⎛ r ( n) ⎞ 1 (11) sK (n) = (hT hT ) ⎜ K ⎟ , 2 ⎝ rK (n) ⎠ en donde ψ1 es el complejo conjugado de ψ1 , y rK (n) contiene el complejo conjugado de los elementos en rk(n) Algoritmo del filtro de Kalman En esta sección se desarrolla el filtro de Kalman [referencia16, pp. 381-384] tal como se implementó en nuestros algoritmos. Otras referencias al algoritmo se pueden encontrar en referencia17-19. El modelo del vector de estados es (12) x(n) = Φx(n − 1) + Γv(n), el cuál, en nuestro caso, corresponde a la (10) con la entrada de un ruido blanco gaussiano (WGN) v(n), asumiendo que afecta solamente a las componentes del fasor rotado, y no a sus derivadas, por lo que ΓT = (hT hT ) . Por otro lado, el modelo de observación (o medición) es s (n) = Hx(n) + w(n) (13) el cual corresponde a la (11), asumiendo ahora que la señal es afectada por un ruido aditivo WGN w(n). Finalmente para ambos modelos tenemos H = (hT hT ) . El proceso recursivo puede definirse por la siguiente secuencia para el n-ésimo ciclo. 1. Predicción: (a) Predicción del Estado xˆ − (n) = Φxˆ (n − 1) (14) (b) Error de covarianza a priori 47 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier / José Antonio De la O Serna, et al. P − (n) = ΦP (n − 1)Φ H + ΓΓT σv2 2. Medición (a) Ganancia de Kalman: K (n) = P − (n)HT (HP − (n)HT + σ 2w ) −1 (b) Estimación de estados xˆ (n) = xˆ − (n) + K (n)( s (n) − Hxˆ − (n)) (c) Error de covarianza a posteriori P ( n ) = (I − K ( n ) H ) P − ( n ) (15) (16) (17) (18) Donde σv2 y σ 2w son la varianza del ruido en la entrada y en la medición, respectivamente. El proceso comienza con x(0)=0, y P(0)=109I para el estado inicial desconocido de la matriz de covarianza del error. Note que una vez que se han establecido las ganancias óptimas de Kalman, la carga computacional del proceso del filtrado es reducido sólo a las ecuaciones (14), (17), y la antirotación. RESPUESTA EN FRECUENCIA DE LOS FILTROS TAYLOR-KALMAN La respuesta en frecuencia de los filtros TkK puede obtenerse directamente de la transformada z a su ecuación de estados. xˆ (n) = Φxˆ (n − 1) + K (n)( s (n) − HΦxˆ (n − 1)) (19) con la ganancia de Kalman K en estado estable. La transformada z de (19) es xˆ ( z ) = Φz −1xˆ ( z ) + K ( s ( z ) − HΦz −1xˆ ( z )), (20) y resolviendo para xˆ ( z ) tenemos a (t ) = a0 + a1sin(2πf a t ) (23) ϕ(t ) = ϕ0 + ϕ1sin(2πf ϕt ) (24) con los siguientes parámetros de amplitud: a0=1, a1=0.1, y fα=5 Hz; y de fase φ0=1, φ1=0.1, fφ=5Hz. Además se utilizaron los siguientes parámetros para el filtro de Kalman: σv2 = 0.01 y σ 2w = 10−4 , que corresponden a una relación señal a ruido (SNR) de 37 dB. Los parámetros representan el peor caso de operación del filtro. Las ganancias del filtro de Kalman se congelan llegando a su primer estado estable, de lo contrario la respuesta en frecuencia de los filtros es pobre. Respuesta en frecuencia del filtro Taylor0Kalman En la figura 1 se muestra la respuesta en frecuencia del filtro T0K a diferentes frecuencias de muestreo. Note que éstas son asimétricas, indicando que se trata de un filtro complejo. Es fácil ver que cuando la señal de entrada corresponde a la nominal en estado estable, funciona correctamente con una ganancia igual a dos en la frecuencia fundamental positiva, y cero en la negativa. Presenta una resonancia en la frecuencia nula, indicando la presencia de un polo cercano a z=1 en la función de transferencia. El polo se acerca más y más a la unidad conforme la frecuencia de muestreo crece. Es bien sabido que el filtro de Kalman no trabaja apropiadamente cuando la señal de entrada no corresponde a su modelo de señal. En este caso, el modelo de señal utilizado ⎡I − Φz −1 + KHΦz −1 ⎤ xˆ ( z ) = Ks ( z ) (21) ⎣ ⎦ Así la función de transferencia entre los estados del modelo de señal y la señal de entrada está dada por −1 (22) G ( z ) = ⎡⎣I + (KH − I )Φz −1 ⎤⎦ K , y las respuestas en frecuencia de los estados del filtro se obtienen evaluando la función de transferencia en G(z) a z = e jθ , para −π < θ ≤ π . Señal de prueba Para obtener el estado estable de las ganancias de los filtros de Kalman, la señal de prueba es de la forma (1) y construida con las siguientes funciones de amplitud y fase: 48 Fig. 1. Respuesta en frecuencia del filtro T0K a diferentes frecuencias de muestreo. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier / José Antonio De la O Serna, et al. corresponde a una señal con dos componentes, una rotando a la frecuencia fundamental y la otra girando en sentido contrario. Debido a la naturaleza no rotatoria de una señal constante, el filtro falla cuando trata de extraer de ella un fasor. Finalmente, note que la respuesta en fase no es planamente nula en la frecuencia fundamental, lo que indica un pequeño retraso en sus estimaciones. La respuesta en magnitud del filtro ilustrada en la figura 1 es similar a la analizada [en referencia8, p. 103], como se puede ver en la figura 2, donde usando los parámetros de ese artículo, reprodujimos la respuesta en magnitud en su parte real e imaginaria en la gráfica superior, mientras que la respuesta en magnitud de la ganancia compleja se muestra en la gráfica inferior. Note que ésta corresponde al filtro TkK como se muestra en la figura 1, pero con su resonancia inclinada a la derecha debido a la diferencia de parámetros del ejemplo. Además este tipo de respuesta en frecuencia corresponde al desarrollo del filtro de Kalman [en referencia19, p. 102]. En esta publicación, se demuestra que ante condiciones iniciales desconocidas, y covarianza de error constante, las estimaciones del filtro de Kalman corresponden exactamente a las del filtro de Fourier de medio ciclo. Desde entonces, el filtro de Kalman fue desplazado en el área de medición fasorial por el de Fourier. Sin embargo, note lo diferente que es la respuesta en frecuencia del filtro de Kalman a la del filtro de Fourier, con forma de seno cardenal. Fig. 2. En la parte superior, respuesta en magnitud de la parte real e imaginaria del filtro de Kalman como se ilustra en 8, y en la parte inferior la respuesta en magnitud de la ganancia compleja. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 Ambas coinciden solamente en las ganancias dos y cero correspondientes a la frecuencia fundamental positiva y negativa, respectivamente. La resonancia en la frecuencia nula puede ser resuelta agregando un cero en z=1. Esto se logra incluyendo la componente de dc al modelo de señal rotado: ⎛1 0 0 ⎞ ⎛ 1 1⎞ ⎜ ⎟ (25) Φ = ⎜ 0 ψ1 0 ⎟ , h = ⎜1 ⎟. ⎝ 2 2⎠ ⎜0 0 ψ ⎟ 1⎠ ⎝ Note en figura 3 que su respuesta en magnitud ahora tiene un cero en la ganancia en la frecuencia nula. Fig. 3. Respuesta en magnitud del filtro T 0K-dc a diferentes frecuencias de muestreo. Además un filtro pasa bajas se obtiene de la variable (dc) del primer estado, la figura 4 ilustra su respuesta en magnitud. Note que este es un buen filtro pasa Fig. 4. Respuesta en magnitud del filtro de dc para diferentes frecuencias de muestreo. 49 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier / José Antonio De la O Serna, et al. bajas debido a su ganancia plana en la frecuencia fundamental (positiva y negativa). Debido a sus picos resonantes, este tipo de filtros son utilizados en telecomunicaciones para detectar cuando la frecuencia de la señal se sale de un intervalo. Respuesta en frecuencia del filtro Taylor2Kalman El filtro T2K no solamente provee estimaciones del fasor sino también de sus primeras derivadas. La figura 5 muestra las respuestas de magnitud y fase del filtro. Note que las ganancias son planas alrededor de la frecuencia fundamental (positiva y negativa). El filtro exhibe nuevamente frecuencias resonantes cerca de la frecuencia nula y tiene ganancias superiores a uno en las armónicas. Así, el filtro trabaja bien solamente cuando el espectro de la señal está confinado en el intervalo de ganancias planas. La principal característica de este filtro está en su respuesta en fase. Note que la fase es planamente nula alrededor de la frecuencia fundamental. Esto significa que la estimación fasorial de este filtro es instantánea, i.e. sin algún retardo cuando el espectro de la oscilación corresponde a la señal pasa banda del modelo de señal. Los cambios abruptos en fase en la frecuencia fundamental negativa son insignificantes debido a la ganancia nula en ese intervalo. Fig. 5. Respuesta en frecuencia del filtro T2K a diferentes frecuencias de muestreo. Por otro lado, la figura 6 muestra la respuesta en magnitud del primer (gráfica superior) y segundo (gráfica inferior) diferenciador. Como se puede constatar, el filtro T2K garantiza una ganancia lineal y otra parabólica junto a la frecuencia fundamental. 50 Fig. 6. Respuesta en magnitud del a) primer y b) segundo filtro diferenciador T2K. Estas formas corresponden a las ganancias ideales de dichos diferenciadores. Además ambos filtros tienen ganancias planas nulas en la frecuencia fundamental negativa, lo que asegura su pleno rechazo en sus estimaciones correspondientes. FILTRO TkKF El filtro T 2K anterior logra diferenciadores ideales sólo alrededor de la frecuencia fundamental. Para obtener ganancias ideales en cada una de las frecuencias armónicas, es necesario extender la matriz de transición del modelo de señal a las armónicas de interés. Por ejemplo, si la señal es muestreada a N = 2 muestras por periodo, y todas sus armónicas son incluidas, entonces la matriz de transición es extendida de la siguiente manera ⎛ Φ K (τ)ψ 0 ⎞ ⎜ ⎟ 1 Φ K (τ)ψ ⎜ ⎟ Φ (τ) = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ N −1 ⎟ ⎜ ( ) Φ τ ψ K ⎝ ⎠ (26) Contiene a lo largo de la diagonal N submatrices Φ K (τ) cuadradas de ( K + 1) × ( K + 1) escaladas por potencias consecutivas de la N-ésima raíz unitaria, y el resto de los elementos iguales a cero. Note que para K=0, y Φ0(τ), la matriz de transición extendida en (26) es una matriz diagonal con potencias consecutivas del factor de fase ψ, y corresponde a los elementos del algoritmo de Goertzel’s implementado en la DFT recursiva en referencia20-21. Sin embargo, el enfoque de T0KF difiere de esta Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier / José Antonio De la O Serna, et al. implementación recursiva debido a que las ganancias de Kalman construyen un sistema de lazo cerrado (un observador) que sigue estrechamente al sistema de lazo abierto del algoritmo de Goertzel. Por otro lado, el T0KF es incomparable con la implementación de la DFT recursiva en relevadores numéricos,22 ya que este algoritmo sólo realiza estimaciones del fasor en su frecuencia fundamental. Su nombre DFT es inapropiado ya que en realidad se trata de la estimación con el filtro de Fourier de un ciclo, simplemente tomando cada nueva muestra de señal y rechazando la última de ellas al avanzar la ventana temporal, asumiendo que la señal es periódica durante el ciclo de señal observada. Sin embargo, esta última técnica puede compararse equitativamente con el filtro T0KF operando en la frecuencia fundamental, que implícitamente asume una periodicidad de un ciclo. Ellos son igualmente rápidos y tienen la misma respuesta en frecuencia ilustrada en la figura 7. Así, ambos trabajan correctamente mientras haya periodicidad durante un ciclo, pero ambos fallan ante oscilaciones como puede verse en la figura 11. Complejidad computacional Una vez que se establecen las ganancias de Kalman, el algoritmo de filtrado se realiza usando la ecuación de predicción de estados en (14), y la ecuación de actualización de estados en (17). La matriz extendida en (26) es (K+1)N X (K+1)N; pero debido a su naturaleza diagonal, y a la forma superior triangular de la submatriz ΦK en (10), que sólo requiere (K+1)(K+2)/2 productos, el costo computacional de la transición de estados no es de [(K+1)N]2, sino de (K+1)(K+2)N/4 productos, dada la simetría entre la mitad de los factores de fase con los de la otra mitad. Por otro lado, el costo computacional de la actualización de estados requiere de N productos de la multiplicación del estimado de error con las ganancias de Kalman. Por último, la estimación de la señal en la ecuación de salida (13), no requiere de productos debido a que H sólo tiene N elementos unitarios y el producto escalar se resuelve con una suma; así el costo computacional de todo el algoritmo de filtrado es de ((K+1)(K+2)/4+1)N productos (las adiciones no se toman en cuenta). Por otro lado, la FFT de una señal con N=2L muestras, tiene L etapas con N2 productos, por lo Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 que el costo computacional de una FFT de N X N log ( N ) es de ( 22 N ) productos. En la siguiente sección veremos cómo el banco de filtros de la T0KF es equivalente al del algoritmo de la FFT. En este caso (K=0), su costo computacional es de 3 N productos, 2 que es menor que el de la FFT para secuencias menores de N>8 muestras. Finalmente, el costo computacional del filtro T2KF es de 4N productos. Así el costo computacional del algoritmo es muy bajo (4 productos por armónica), teniendo en cuenta que el T2KF estima tres coeficientes en cada armónica: el fasor y sus dos primeras derivadas, por lo que la cantidad de productos por cada estimado es de 4/3. En la siguiente subsección, demostraremos que cuando son incluidas todas las armónicas en el modelo, la respuesta en frecuencia del T0KF es la misma que la de la DFT, y que la del filtro T2KF, tiene las mismas ganancias planas que la transformada T2F alrededor de las frecuencias armónicas. Filtro T0KF Nuestro primer ejemplo es el filtro T0KF para una frecuencia de muestreo de N=16 muestras por ciclo. Su matriz de transición es una matriz diagonal con el factor de rotación de fase {ψk, k=0,1...,15} descendendo sobre la diagonal. Su respuesta en magnitud se ilustra en la gráfica superior de la figura 7, junto con la respuesta en magnitud del filtro de Fourier de un ciclo. Note que son idénticas, indicando que el T0KF calcula la DFT con el algoritmo de Kalman. Además note en sus respuestas en fase, en la gráfica inferior, que las estimaciones del T0KF Fig. 7. Respuesta en frecuencia del filtro T0KF. 51 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier / José Antonio De la O Serna, et al. tendrán exactamente el mismo retardo como los de los filtros de Fourier de un ciclo, que en aplicaciones en tiempo real es de medio ciclo, por lo que la mejor asignación de tiempo a su estimación es a la mitad de su ventana. Filtro T2KF El segundo ejemplo es el filtro T2KF. Ahora su matriz de transición tiene en su diagonal matrices Φ2 multiplicadas por los factores de rotación de fase {ψk, k=0,1...,15} de manera descendente. La figura 8 muestra la respuesta en magnitud y fase del filtro T2KF en la primera armónica. La magnitud aparece junto con la respuesta del filtro de Fourier de un ciclo para apreciar la transformación cuando el orden del polinomio de Taylor cambia de cero a dos. El filtro peine se transforma en un filtro valla, i. e. un filtro que rechaza una banda de frecuencia junto a cada armónica, en vez de una sola frecuencia como el filtro peine. Hay que tener en cuenta que a pesar de la ampliación del lóbulo principal y la elevación de los niveles de los lóbulos laterales, que hace a los filtros más sensibles al ruido, las ganancias junto a las frecuencias armónicas mejoran bastante su planitud. Lo que mejora el filtrado, evitando la distorsión de magnitud y la de fase en la armónica de interés, y con un mejor rechazo del resto de las armónicas, cuando el espectro de señal de entrada se concentra en dichas bandas frecuenciales. Note en la respuesta en fase, que la fase en la banda de paso es cero y plana, indicando que no hay retardo en los estimados fasoriales (posición, velocidad, y aceleración). Significa que las estimaciones Fig. 8. Respuesta en frecuencia del filtro T2KF. 52 fasoriales pueden realmente sincronizarse en tiempo real. Una gran ventaja de estas estimaciones, es que son muy útiles para aplicaciones de control, en donde el retraso puede provocar una inestabilidad en el lazo de control. En la siguiente sección se demuestra este hecho con ejemplos numéricos. Con el modelo de señal de segundo orden es posible además obtener estimaciones de la primera y segunda derivadas de la oscilación en cada frecuencia armónica. La figura 9, muestra la respuesta en magnitud de la primera y segunda derivada respectivamente. Note que cerca de la frecuencia fundamental la respuesta en magnitud muestra las ganancias de diferenciadores ideales (lineal y parabólica, respectivamente). Antes de ir a los resultados numéricos, dedicamos unas palabras al subespacio de los filtros. El desarrollo del filtro TkKF al incluir uno por uno los elementos del conjunto total de armónicos, muestra Fig. 9. Respuesta en magnitud del primer y segundo diferenciador asociados al filtro T2KF. que el subespacio del filtro T0K, cuya respuesta en frecuencia se ilustra en la figura 1, evoluciona poco a poco hasta alcanzar al subespacio de Fourier, con la respuesta en frecuencia ilustrada en la figura 7; o que el subespacio del filtro T2K en la figura 5 evoluciona al de la figura 8. Es por esto que es posible realizar la DFT con la T0KF, y la T2FT con el filtro T2KF, pero sin el retardo de estimación de la transformación de los filtros FIR. De hecho, para K≥2, los filtros IIR del TKKF alcanzan respuestas frecuenciales nulas y planas junto a las frecuencias de operación, como se puede ver en u=1 en la respuesta de fase de la figura 8, esto garantiza estimaciones fasoriales instantáneas Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier / José Antonio De la O Serna, et al. cuando el espectro de la señal está confinada bajo las respuestas planas. RESULTADOS NUMÉRICOS En esta sección se probaran los filtros T0KF y 2 T KF con una señal determinista oscilatoria con 3ra y 5a armónicas oscilatorias superpuestas, que son adheridas en cierto instante de tiempo. Además se considera un caso real de una señal oscilatoria de voltaje tomada de una subestación de un país de Latino América. Se comparan las estimaciones del fasor y de sus primeras derivadas, así como los de las armónicos relevantes (tercera y quinta) contenidos en la señal. Señal de prueba La siguiente señal teórica es muestreada a N=64 muestras por ciclo fundamental. Se analiza el desempeño de la estimación fasorial de los filtros TKKF con Nh=64 armónicas. s (t ) = a (t )cos (2πf1t + ϕ(t )) a (t ) +u (t )[ cos (2π3 f1t + ϕ3 (t )) 10 a (t ) (27) + cos (2π5 f1t + ϕ5 (t ))] 20 en el que ⎛ 0, parat < 15 / f 1 u (t ) = ⎜ (28) ⎝1, parat ≥ 15 / f1 (29) a (t ) = a0 + a1sin(2πf a t ) ϕ(t ) = ϕ0 + ϕ1sin(2πf ϕt ) (30) (31) ϕ3 (t ) = 0.9ϕ(t ) (32) ϕ5 (t ) = 0.8ϕ(t ) y los siguientes parámetros en amplitud: a0=1, a 1=0.2, f α=5Hz; y fase, φ 0=1, φ 1=0.1, f φ=5Hz. La varianza del ruido en el filtro de Kalman es: σv2 = 0.01 y σ 2w = 10−4 . La señal de prueba y sus estimados se ilustran en la figura 10. Note que la inyección de las armónicas comienza en el 15avo ciclo, como se especifica en (28). La estimación de la señal es muy buena con ambos filtros. Es bien sabido que el filtro de Kalman es muy bueno cuando la señal de entrada corresponde a su modelo de señal. Sin embargo, al observar los errores de estimación de la señal, ilustrados en Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 la gráfica inferior, es evidente que el filtro T0KF produce mayores niveles de error que el filtro T2KF. Los errores de estimación con el primer filtro son de millonésimas, los cuales se reducen mil veces con el segundo filtro. Tenga en cuenta también que se produce una importante transición inmediatamente después de la inyección de los armónicos, debido a la alteración del modelo de Taylor en ese instante de tiempo. Pero en nuestra aplicación usamos el filtro de Kalman no para estimar la señal, sino sus componentes fasoriales. La figura 11, ilustra las estimaciones fasoriales obtenidas por ambos filtros. El filtro T0KF produce estimaciones con una forma corrugada perceptible, y sistemáticamente retardadas de medio ciclo, mientras que las del filtro T2KF están más cerca del fasor ideal. Se muestra claramente que el modelo del polinomio de Taylor de orden cero es Fig. 10. Señal y error estimado. Fig. 11. Estimación de fasor con filtros de T0KF y T2KF. 53 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier / José Antonio De la O Serna, et al. incapaz de suprimir el retraso de las estimaciones mientras que el modelo de segundo orden, junto con el algoritmo del filtro de Kalman, logra estimaciones instantáneas que pueden ser sincronizadas con la marca temporal de la muestra más reciente. El TVE de la estimación es ilustrada en la figura 12 para ambos filtros. Fig. 13. Estimación de la primera derivada con T2KF. Fig. 12. Error vectorial total (TVE) de las estimaciones con T0KF y T2KF. Una importante reducción del TVE se logra con el filtro de segundo orden, que reduce el valor medio del TVE de 3.66% a 0.83%. Esta reducción se puede mejorar mediante la reducción de la frecuencia de muestreo, o incluyendo menos armónicas; por ejemplo, para Nh=8 armónicas, el máximo valor del TVE con el filtro de segundo orden es menor que 1%, que es el tolerado por la norma de sincrofasores. La señal utilizada en este ejemplo es un caso extremo debido a las altas frecuencias (5 Hz) moduladas no sólo en amplitud sino también en fase de los tres componentes. Finalmente, la estimación de la primera derivada obtenida con el filtro de Taylor de segundo orden se muestra en la figura 13. Estas estimaciones no son tan buenas como las estimaciones del fasor pero podrían mejorarse usando un modelo de orden superior, o por la reducción de la complejidad del algoritmo (disminuyendo la frecuencia de muestreo y el número de armónicas incluidas). 54 Señal de voltaje real Finalmente, consideramos la estimación de una señal de voltaje oscilatoria tomada de una subestación de un país latinoamericano. Fue muestreada a 16 muestras por ciclo fundamental de un sistema de potencia a 60 Hz. Consideramos, además de las estimaciones de los filtros T0KF y T2KF, los obtenidos con la FFT de un ciclo (matriz de Fourier de 16 x 16), y la T2FT de cuatro ciclos. Finalmente, comparamos las estimaciones de amplitud de T2KF y T2FT para evaluar el tiempo transcurrido entre los dos. Para simplificar, se sigue un paralelismo con la subsección anterior. La señal de voltaje se muestra en la figura14. La señal de error del filtro T0KF se reduce mil veces con Fig. 14. Señal de voltaje oscilatoria real estimada con T0KF, T2KF y error estimado de la señal. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier / José Antonio De la O Serna, et al. el filtro T2KF. La estimación de amplitud y fase de ambos filtros se ilustra en la figura 15. Note que sólo se ilustran los últimos cuatro segundos para ver mejor los detalles. Tenga en cuenta que las estimaciones de amplitud cero contienen infiltraciones perceptible de ruido, sin embargo su estimación de fase es muy similar al filtro de segundo orden. La variación lineal persistente en la fase es debido al desenvolvimiento correspondiente a la desviación negativa de la frecuencia del sistema, como se puede verificar en la figura 16, que ilustra las estimaciones de las primeras derivadas del fasor. Se puede constatar una desviación de frecuencia de -2.5 Hz con respecto a la nominal. Por otra parte las estimaciones de las derivadas de amplitud y fase contienen ruido perceptible. Además las estimaciones de amplitud y fase obtenidas con la FFT de un ciclo y con el T2FT de cuatro ciclos en la figura 17, asignando una etiqueta de tiempo en la ultima muestra de señal disponible en la ventana de tiempo. Podemos ver que los resultados son casi similares a los de la figura 15, con una perceptible infiltración de ruido en las estimaciones de la FFT como semejantes a las del T0KF. Sin embargo en esas figuras el retardo de las estimaciones no se percibe claramente. El retardo entre las estimaciones de T2KF y T2FT se ilustra en figura 18, en efecto, corresponde a un retardo de dos ciclos como hemos mantenido a lo largo de todo el documento, prueba que el filtro T2KF proporciona estimaciones fasoriales inmediatas, tal como se predijo durante el análisis de su respuesta de fase Fig. 15. Estimaciones fasoriales con los filtros T0KF y T2KF. Fig. 17. Amplitud de FFT, T2FT y fases estimadas. Fig. 16. Estimación de la primera derivada T2KF. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 Fig. 18. Retardo entre las estimaciones fasoriales obtenidas con T2KF y T2FT. 55 �Estimación fasorial instantánea en armónicas oscilantes usando el filtro Taylor-Kalman-Fourier / José Antonio De la O Serna, et al. de filtros de segundo orden es capaz de realizar la T2FT en tiempo real, con un tiempo computacional de sólo cuatro productos por armónica estimada, pero más importante aún, proporcionando estimaciones de derivadas armónicas carentes de retardo. Teniendo en cuenta su carácter instantáneo, y su bajo costo computacional, las estimaciones con este nuevo enfoque son muy útiles para análisis armónico en tiempo real y aplicaciones de control en sistemas de potencia. Fig. 19. Estimaciones de amplitud de la tercera y quinta armónicas con T2KF y T2FT. Nuevamente, el retardo es aparente entre las estimaciones de ambos métodos. planamente nula. Finalmente, la figura 19 muestra las estimaciones de amplitud de las armónicas relevantes (tercera y quinta) en la señal de tensión, con el T2KF y T2FT. Una vez más el retardo entre las estimaciones tomadas con diferentes métodos es evidente. El T2KF produce ruido en las estimaciones, pero instantáneas. La estimaciones de la FFT no se muestran debido a que son muy pobres debido a la significativa infiltración en ellas de la componente fundamental negativa. CONCLUSIONES La extensión del modelo de señal del filtro tradicional de Kalman con polinomios de Taylor de hasta orden K conduce a la formación de filtros de respuestas en magnitud y fase planas a partir del segundo orden. Dichos filtros ofrecen estimaciones fasoriales sin distorsión en magnitud o fase. Por lo que sus estimaciones instantáneas pueden verdaderamente sincronizarse para aplicaciones de tiempo real como las de control. Los filtros TKKF son capaces de estimar armónicas dinámicas con estimaciones fasoriales libres de infiltraciones armónicas. Los filtros de orden cero tienen el mismo rendimiento en el análisis armónico de la DFT, y sólo necesitan uno y medio productos por armónica. Su complejidad computacional es inferior a la del algoritmo de la FFT, cuando más de 8 frecuencias armónicas son incluidas en la banda de observación frecuencial. Por otro lado, el banco 56 REFERENCIAS 1. Standard for synchrophasors for power systems, IEEE Std. C37.118-2005. 2. Draft standard for synchrophasor measurements for power systems, IEEE PPC37.118.1/D4.2 1, May 2011. 3. M. A. Platas and J. A. de la O Serna, Dynamic phasor and frequency estimates through maximally flat differentiators, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 59, no. 7, pp. 1803--1811, july 2010. 4. ------, `Dynamic harmonic analysis through taylor-fourier transform, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 60, no. 3, pp. 804--813, march 2011. 5. J. A. de la O Serna and J. 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Benmouyal, Frequency-domain characterization of kalman filters as applied to power system protection, Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 7, no. 3, pp. 1129--1138, 1992. 11. R. Haeb-Umbach and M. Bevermeier, OFDM channel estimation based on combined estimation in time and frequency domain, in Acoustics, Speech and Signal Processing, 2007. ICASSP 2007. IEEE International Conference on, vol. 3, 2007, pp. 277--280. 12. Z. Cheng and D. Dahlhaus, Time versus frequency domain channel tracking using kalman filters for OFDM systems with antenna arrays, in Vehicular Technology Conference, 2003. VTC 2003-Spring. The 57th IEEE Semiannual, vol. 1, 2003, pp. 651--655. 13. F. Cornett, Kalman estimation of frequencydomain interference reduction coefficients for angle-modulated signals, in Acoustics, Speech, and Signal Processing, IEEE International Conference on ICASSP ‘84., vol. 9, 1984, pp. 290--293. 14. S. Cooper and H. 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Phadke and J. S. Thorp, Computer Relaying for Power Systems, 1st ed. 1em plus 0.5em minus 0.4em Research Studies Press LTD, Sep. 1988. 20. S. Lai, S. Lei, C. Chang, C. Lin, and C. Luo, Low computational complexity, low power, and low area design for the implementation of recursive DFT and IDFT algorithms, IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 56, no. 12, pp. 921--925, Dec. 2009. 21. S. Lai, S. Lei, W. Juang, and C. Luo, A Low-Cost, Low-Complexity, and Memory-Free architecture of novel recursive DFT and IDFT algorithms for DTMF application, IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 57, no. 9, pp. 711--715, Sep. 2010. 22. H. A. Darwish and M. Fikri, Practical considerations for recursive DFT implementation in numerical relays, IEEE Trans. Power Del., vol. 22, no. 1, pp. 42--49, Jan. 2007. 57 �Optimizando el despliegue de recursos en la extinción de un incendio forestal Sanzon Mendoza ArmentaA, Roger Z. Ríos MercadoB, Minerva A. Díaz RomeroC FCFM-Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo FIME-UANL, Programa de Posgrado en Ingeniería de Sistemas C Universidad de Las Américas Puebla sanzon@fismat.umich.mx , roger.rios@uanl.edu.mx , minerva@yalma.fime.uanl.mx A B RESUMEN El objetivo de este trabajo es ilustrar cómo la Investigación de Operaciones puede emplearse para la organización óptima en la extinción de incendios forestales en una determinada área. Tomando en cuenta los recursos disponibles y los costos de las diversas decisiones, la solución al modelo planteado determina qué recursos deben ser usados y en que período de tiempo deben usarse, para minimizar los costos de apagar el incendio forestal. Esto se representa mediante un problema de programación lineal entera, ya que las decisiones de cuándo y cómo ubicar los recursos son variables binarias. Se presenta un modelo matématico tomado de la literatura. La resolución del modelo se ilustra en un caso práctico tomando como base un problema proveniente del estado de California, EUA. Una contribución de este trabajo es que propone una serie de adecuaciones con lo que resulta un modelo diferente que incorpora restricciones. Se lleva a cabo además un análisis de sensibilidad de cómo el modelo responde a diversas cambios en la información del problema o recursos disponibles. PALABRAS CLAVE Investigación de operaciones, programación lineal entera, incendios forestales. ABSTRACT The purpose of this work is to illustrate how OR can be successfully applied to optimal planning in forest wildfire management in a certain region. By taking into account the available resources and the decision costs, the optimal solution to the model determines what resources must be used and when they must be applied, so as to minimize total costs while stopping the fire. This is represented by a mixed-integer linear optimization model since the decision variables are binary in nature. A mathematical model taken from literature is presented. The resolution of this model is illustrated in a case study based on a problem arising in California, USA. A contribution of this work is that a serie of adequations was proposed, giving a different model that incorporates aditional constrictions. Sensitivity analysis is carried out to hedge how the model responds to different changes in input data or requirements. KEYWORDS Operations research, integer programming, wildfire management. 58 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Optimizando el despliegue de recursos en la extinción de un incendio forestal / Sanzon Mendoza Armenta, et al. INTRODUCCIÓN De acuerdo con la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT),1 tan solo en el 2009, se registraron un total de 9,542 incendios forestales en 32 entidades federativas, afectando una superficie de 298,467.96 hectáreas en todo el territorio nacional mexicano. Los estados con mayor número de incendios forestales son: México, Distrito Federal y Michoacán por mencionar algunos. Sin embargo, el estado con mayor superficie afectada es Baja California con 71,854.66 hectáreas como se muestra en la tabla I. El estado de Nuevo León figura entre los estados con menor número de incendios, con una cantidad de 76 incendios reportados con una superficie afectada de 3,090.77 hectáreas afectadas. Tabla I. Entidades federativas con mayor número de incendios en el 2009. Lugar Entidad federativa Número de incendios Superficie afectada (ha) 1,808 6,030.50 1 México 2 Distrito Federal 1,186 1,851.35 3 Michoacán 1,083 12,468.75 4 Chihuahua 842 10,703.87 5 Puebla 512 7,402.81 6 Jalisco 402 9,458.50 7 Chiapas 394 12,514.32 8 Tlaxcala 357 2,080.00 9 Hidalgo 311 3,336.81 10 Baja California 274 71,854.66 Subtotal 7,169 137,701.57 % del total nacional 75.13 46.14 Otros 2,373 160,766.39 Total nacional 9,542 298,467.96 Es evidente la importancia de un plan para apagar incendios forestales, lo cual se evidencia por el gran área afectada en una buena parte de la República Mexicana.1 Este tipo de problemas en particular requieren de una solución de forma rápida y eficiente, tomando decisiones que ayuden a sofocar un incendio forestal generalmente alejado de la población, utilizando los recursos con los que se cuenta. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 Podemos resolver este problema usando la filosofía de Investigación de Operaciones (IO), que es una rama de las matemáticas que trabaja con modelos matemáticos y se encarga de toma de decisiones, y así, maximizar o minimizar procesos.2 Existe una diversidad de problemas y modelos que han sido abordados con modelos y métodos de la IO. Véase por ejemplo las referencias3,4. Las prácticas de gestión de incendios varían en las diferentes partes del mundo debido a las variaciones en el clima, la vegetación y las necesidades de la sociedad: Australia (Loane y Gould),5 Rusia (Kurbatskii y Tsvetkov)6 y Grecia (Dimopoulou y Giannikos).7 En el trabajo de Dimopoulou y Giannikos,7 la metodología que se emplea para clasificar las regiones dentro de un área forestal es de acuerdo a varios factores que afectan el desarrollo de un incendio forestal como son: clima, vegetación, pendiente y velocidad del viento. De acuerdo a estos factores, la clasificación se basa en información proporcionada por un Sistema de Información Geográfica (SIG). Esta información se transmite luego a un modelo de optimización que determina la ubicación óptima de los recursos de extinción de incendios. Un modelo de máxima cobertura es empleado para que tenga en cuenta la clasificación de las regiones mediante la variación de la cobertura en las regiones de clase diferente. El método se ha aplicado a la zona de Parnitha, cerca de Atenas. En este modelo el número de vehículos disponibles de lucha contra incendios es dado y el principal objetivo es determinar su despliegue óptimo. Haight y Fried 8 presentan un modelo de programación entera mixta estocástica que permite determinar el despliegue de recursos con el objetivo de minimizar el número de recursos enviados y el número de incendios que no reciben respuesta en un tiempo estándar. Los parámetros del modelo son: las estaciones de recursos y la distribución de probabilidad de ocurrencia de los incendios en el area de estudio. También se conoce el tiempo que tarda un recurso de las estaciones a los posibles lugares de incendios. Se desea determinar dónde y cuánta cantidad de recursos ubicar en las estaciones al inicio del día y, una vez conocido el patrón de incendios, cómo y dónde enviar los recursos a apagarlos. El objetivo es minimizar el número de incendios que no 59 �Optimizando el despliegue de recursos en la extinción de un incendio forestal / Sanzon Mendoza Armenta, et al. reciben una respuesta estándar asi como el número de recursos necesarios que pueden llegar al fuego dentro de un tiempo límite de respuesta, sujetas a su disponibilidad. Gorte y Gorte9 hacen una determinación de la mezcla específica de recursos de lucha contra incendios en un caso determinado, para identificar el mínimo valor de la función de costo. Resuelven el modelo mediante el lenguaje de modelación algebraica LINGO. Realizan además un análisis de sensibilidad que se hace sobre los datos del modelo, para demostrar la flexibilidad de la estructura del modelo. Además, el modelo se utiliza para determinar los recursos a usar teniendo limitaciones de presupuesto a las que suelen enfrentarse los gestores de apagados de incendios. Este modelo, al igual que otros modelos de planificación de instalación de recursos para extinguir el fuego, requiere el uso de datos históricos de incendios en el área de estudio. La idea en el presente trabajo es el ilustrar como la rama de la IO puede ser utilizada para sustentar el apoyo científico a un problema de toma de decisiones en la gestión de incendios forestales. Para tal efecto, se toma como base un modelo de la literatura propuesto por Donovan y Rideut4 para la minimización del costo monetario total que lleva apagar un incendio forestal haciendo el mejor uso posible de los recursos que se tienen disponibles. Adicionalmente, proponemos algunas restricciones al modelo que ilustran cómo éste puede adecuarse a diferentes situaciones de índole práctico. Finalmente, la resolución del modelo original y el modificado es ilustrada en un caso práctico que surge en California, EUA, tomando como datos del modelo la información del problema planteado por Donovan y Rideut.4 que surgió en economía. Este modelo4 es el que se ilustra en este trabajo. Éste es un modelo que minimiza el costo monetario total que lleva detener un incendio, minimizando la suma total de costo de los recursos expedidos en cierto periodo de tiempo durante un incendio forestal. Esto es, se tiene un incendio forestal el cual tiene un tiempo de vida finito. Dividámoslo en periodos de tiempo, de esta manera en cada periodo de tiempo podemos tomar una decisión de qué recursos nos conviene usar para combatir el incendio, es decir, tomar la decisión óptima de organización para enviar los recursos en el periodo de tiempo adecuado. Bajo estas condiciones, el problema consiste en minimizar el costo total que lleva contener el incendio, decidiendo en base a una lista de posibles recursos, los cuales tienen cuatro parámetros importantes que son: renta (r),costo por hora (cv), tiempo de llegada y eficiencia atacando el incendio. Cada uno de estos parámetros de los recursos tienen un significado importante. Costo fijo de renta es lo que cuesta rentar un recurso sin importar los períodos de tiempo que sea utilizado, a diferencia de costo por hora el cual tiene un valor para cada período de tiempo que sea usado. Tiempo de llegada es el tiempo que tarda en llegar un recurso al incendio, en el cual el recurso no proporciona un rendimiento. Por último se tiene el parámetro que mide cuanto avanza cada recurso combatiendo el incendio, lo llamamos rendimiento. A nuestro problema lo conforman los siguientes parámetros y variables de decisión: Ci denota el costo por hora (US$) del i-ésimo recurso el cual es un costo variable. Con Hj denotamos el período de tiempo actual (hr). Pi es el costo fijo de renta del i-ésimo recurso (a diferencia de Ci, Pi es el costo de usar el i-ésimo recurso sin importar el tiempo PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El proponer un modelo matemático que optimice recursos para contener un incendio forestal es un problema en el que ya se tiene tiempo trabajando.3,7 Históricamente uno de los primeros modelos con el que se trabajó fue el desarrollado por National Fire Management Analysis System (NFMAS), de EUA, el cual está basado en el modelo Cost Plus Net value Change (C + NVC) que es un modelo 60 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Optimizando el despliegue de recursos en la extinción de un incendio forestal / Sanzon Mendoza Armenta, et al. que sea utilizado). NVCj es el costo variable por cada área afectada, es decir, una penalización por el área afectada hasta el j-ésimo período de tiempo. Ai es el tiempo que tarda en llegar el i-ésimo recurso al incendio. PRi es la línea de reconstrucción del incendio controlado medida en kilómetros. PERj es el incremento del incendio en cada período de tiempo j medido en kilómetros. SPj es el perímetro total del incendio hasta el j-ésimo período de tiempo medido en kilómetros. Por último, m es el número total de períodos de tiempo que dura el incendio y n el número total de recursos que se tienen para controlar el incendio. Cabe destacar que Ai, Ci, Pi y PRi son parámetros de los recursos y NVCj, Hj, PERj y SPj son parámetros del comportamiento del incendio forestal. Las variables de decisión están dadas por: Teniendo en mente los parámetros asociados a los recursos así como también las variables de decisión que envuelven el problema, el modelo matemático (propuesto por Donovan y Rideut)4 con el que se trabajó es el siguiente: m n n m i =1 j =1 Minimizar f = ∑∑ Ci H j Dij + ∑ PZ i i + ∑ NVC j N j (1) j =1 i =1 sujeto a m n ∑∑ ( j =1 i=1 m ) H j − Ai PRi Dij ≥ ∑ PER j N j m ∑ Di j ≤ Z i (2) j =1 i =1,..., n (3) j =1 SPj N j − L j ≤ mnY j j =1,..., m n ∑ (H j − Ai ) PRi Dij = L j (4) j =1,..., m (5) i=1 N j +1 = Y j Lj ≥ 0 j = 1,..., m (6) j = 1,..., m Di j ,Y j , Z i ∈{0,1} N j ∈{0,1} (7) i =1,..., n j =1,..., m j = 2,..., m + 1 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 (8) (9) El objetivo (1) es minimizar el costo total incurrido desglosado de la siguiente manera. El término CiHjDij representa el costo por usar el i-ésimo recurso en el período de tiempo j si Dij toma el valor de 1, es decir, si el recurso i es usado en el período de tiempo j. El término PiZi es el costo total de renta de los recursos utilizados para contener el incendio. Se activa si Zi toma el valor de 1. Finalmente NVCjNj es el costo de penalización por el área afectada. La restricción (2) básicamente nos dice en qué período de tiempo j el incendio ha sido controlado y se cumple cuando la línea total de reconstrucción es mayor o igual que el área afectada. La restricción (3) indica que un recurso sólo puede ser utilizado en un período de tiempo. La restricción (4) nos dice cuanto se ha avanzado atacando el incendio hasta el período de tiempo j. En la restricción (5) se asigna a Lj la linea total de reconstrucción del incendio, esto es, en el periodo de tiempo j cuanto se ha avanzado en el control del incendio. La última restricción (6) funciona como una variable rezagada que depende de Yj. Finalmente, (7)–(9) establecen las condiciones sobre las variables de decisión. Este es un modelo de programación lineal entera mixta dado que todas sus restricciones y objetivo son funciones lineales y existen variables de decisión que deben ser enteras. Por lo tanto, para resolverlo se emplea el método de Ramificación y Acotamiento.2 CASO ESTUDIO Este tipo de problemas no solo surgen en México, naturalmente. Para ilustrar la metodología de solución y la valía del modelo, proporcionamos el siguiente ejemplo con algunos datos tomados de la literatura en un caso práctico en el estado de California, EUA.5 61 �Optimizando el despliegue de recursos en la extinción de un incendio forestal / Sanzon Mendoza Armenta, et al. Consideremos que se tiene un incendio forestal con las siguientes características. Tenemos 6 períodos de tiempo y cada período es de 1 hora, en el primer período tenemos que el incendio tiene un perímetro de 0.3 Km y un área de 0.7 hectáreas afectadas, y así con los demás períodos de tiempo, como se muestra en la tabla II. En la tabla III se muestra la información de los recursos disponibles para sofocar el fuego. Por ejemplo, el primer recurso es un Dozer que tiene un tiempo de llegada al incendio (Arr) de 2 horas, un costo de $ 175.00 por hora y un costo de renta (Pre) de $ 300.00, con un rendimiento (Prod) de 0.36 Km/hr. Tabla II. Características del comportamiento del fuego. Hora Perímetro (km) Área (ha) 1 0.3 0.7 2 1.0 5.6 3 1.3 9.6 4 1.8 15.9 5 2.0 20.3 6 2.2 24.3 Tabla III. Características de los recursos para combatir el fuego. Recurso Arr(hr) Costo Renta Rendimiento ($/hr) ($) (km/hr) 1 Dozer 2.0 175 300 0.36 Tractor con 2 rastra 2.5 150 500 0.45 3 Cuadrilla tipo I 0.5 125 500 0.20 Cuadrilla tipo 4 II 1.0 175 600 0.25 5 Máquina #1 1.5 75 400 0.09 6 Máquina #2 1.5 100 900 0.10 7 Máquina #3 1.0 125 600 0.15 Tabla IV. Resultados. Costo Renta NVC (cv) (r) cv+r+ Recursos Tiempo NVC A 1,425 1,400 3,785 B C Modelo 1, 3, 4 3 1,375 1,000 2,030 4,405 2, 3 5 1,625 1, 2 6 800 960 2,030 4,455 Consideremos el modelo matemático planteado anteriormente como el modelo A. Usando este modelo sin restricciones de costos podemos contener el incendio en el tercer período de tiempo utilizando los recursos 1, 3 y 4. Con un costo de $ 3,785 en total, que es la suma de costo por hora, renta y la penalización por el área afectada. Ahora consideremos el modelo A con la restricción de que el costo por hora y de renta no deba exceder la cantidad de $ 2,500, esto es, m RESULTADOS Se elaboró un programa en GAMS,10 que es un software de modelación algebraica para resolver problemas de optimización, y se introdujo el modelo matemático así como las características del comportamiento del fuego y de los recursos. Se utilizó el método de Ramificación y Acotamiento para solucionar el modelo de programación lineal entera mixta. 62 Se efectuaron varias ejecuciones del programa, cambiando parámetros tanto del fuego como de los recursos con la finalidad de tener una idea más amplia de cómo funciona el modelo matemático. Estos tres diferentes escenarios los denotamos como Modelo A, B y C, respectivamente. El modelo A es el planteado por Donovan y Rideut,4 descrito anteriormente, mientras que los modelos B y C son adecuaciones nuestras para ilustrar algunos requerimientos adicionales. Los resultados de este proceso se muestran en la tabla IV. n ∑∑ C i H j Dij + j =1 i =1 n ∑PZ i i ≤ 2,500, i =1 denotando este como el modelo B. Con esta restricción podemos contener el incendio en el quinto período de tiempo usando los recursos 2 y 3, con un costo total de $ 4,405. Adicionalmente, el modelo C consiste en agregar otra restricción para la renta de los recursos como la siguiente, n ∑PZ i i ≤ 900 (10) i =1 El costo total que lleva contener el incendio es de $ 4,455, en pocas palabras, más caro respecto a los modelos A y B. Ahora bien, en el siguiente experimento, consideremos que se cuenta con dos recursos más, 8 y 9. El recurso 8 tiene un tiempo de llegada de 0.001 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Optimizando el despliegue de recursos en la extinción de un incendio forestal / Sanzon Mendoza Armenta, et al. hora pero un precio de renta de $ 1,000 y $ 250 de costo por hora, a diferencia de los recursos de la tabla III el recurso 9 es más caro pero muy eficiente. Como podemos observar el recurso 9 es lo contrario que el recurso 8. La información se resume en la tabla V. Tabla V. Información de recursos adicionales. Recurso Arr (hr) Costo ($/hr) Renta ($) Prod (km/hr) 8 0.001 250 1000 1.00 9 4.000 20 100 0.05 Además consideremos la posibilidad de que un recurso pueda ser utilizado más de un período de tiempo. Con esta nueva información, procedemos a resolver de nuevo los modelos A, B y C. Los resultados se muestran en la tabla VI. Tabla VI. Resultados con los recursos adicionales. Modelo Costo (cv) Renta (r) NVC cv+r+ Recursos Tiempo NVC A 250 1,000 70 1,320 B 250 1,000 70 1,320 C 1,625 800 2,030 4,455 8 1 8 1 1, 2 5 Como puede apreciarse, en el modelo A como no se tienen restricciones de costos se puede usar el recurso 9, con este recurso se contiene el incendio en el primer período de tiempo con un costo total de $ 1, 320.00. Con el modelo B se puede seguir ocupando el recurso 9 (en caso de que el presupuesto para la renta y costo por hora sea de $ 1,000.00, no podríamos utilizar el recurso 9 ya que se estaría excediendo el presupuesto, como no es el caso se utiliza el recurso), pero en el modelo C como se tiene la restricción (7) de que la renta del recurso no debe exceder la cantidad de $ 900.00 ya no puede ser utilizado por lo que la óptima opción es utilizar los recursos 1 y 2. CONCLUSIONES En el presente trabajo se ha ilustrado con un ejemplo sencillo pero lo suficientemente relevante la valía de la Investigación de Operaciones para asistir a la toma de decisiones en el ámbito de la gestión forestal para el ataque a incendios. Tomando como base un modelo de la literatura sobre un problema de asignación de recursos para minimizar costos de operaciones, se han propuesto algunas modificaciones al modelo para ilustrar diferentes restricciones y situaciones. Se tomó un caso estudio del estado de California, EUA, para ilustrar cómo se formula mediante un modelo de programación entera y además se ha ilustrado cómo puede modificarse el modelo considerando otras restricciones adicionales. Como se ha documentado en la sección experimental, en el modelo A (el original) se obtiene una solución óptima para contener el incendio que contrasta con las soluciones obtenidas de los modelos B y C, los cuales incluyen más restricciones y por ende su costo asociado es mayor, además que la superficie afectada por el incendio es más grande en estos últimos. AGRADECIMIENTOS Sanzon Mendoza Armenta fue apoyado con una beca de Verano Científico de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH). Minerva A. Díaz Romero agradece el apoyo de CONACYT mediante una beca de estudios de maestría en el Programa de Posgrado en Ing. de Sistemas de la FIME, UANL. Esta investigación fue también apoyada por el CONACYT (apoyos CB05-01-48499-Y y CB11-01-166397) y la UANL (apoyos PAICYT CE012-09 y ITS511-10). Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 63 �Optimizando el despliegue de recursos en la extinción de un incendio forestal / Sanzon Mendoza Armenta, et al. REFERENCIAS 1. Comisión Nacional Forestal. Reporte semanal de resultados de incendios forestales 2009: Datos acumulados del 01 de enero al 10 de diciembre de 2009. Reporte técnico, SEMARNAT, 2010. Disponible en http://www.conafor.gob.mx. 2. F. S. Hillier y G. J. Lieberman. Introducción a la investigación de operaciones. McGraw-Hill, México, D.F, 1997. 3. M. A. Díaz Romero. Un Marco Integrado para el Control y Gestión de Incendios Forestales. Tesis de Maestría, Programa de Posgrado en Ingeniería de Sistemas, Universidad Autónoma de Nuevo León, San Nicolás de los Garza NL, México, Abril 2011. 4. G. H. Donovan y D. B. Rideout. 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The Scientific Press, San Francisco, EUA, 1992. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Vol. XV, No. 55 �Eventos y reconocimientos I. INAUGURACIÓN DEL CIIIA, FIME-UANL En una ceremonia encabezada por el Gobernador del Estado de Nuevo León, Lic. Rodrigo Medina de la Cruz, con la presencia del Rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Dr. Jesús Ancer Rodríguez; Lic. Gilberto López Meyer, Director General de Aeropuertos y Servicios Auxiliares de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIMEUANL, y representantes de la industria aeronáutica en la región, se llevó a cabo el pasado 15 de marzo de 2012 la inauguración del Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA). Este centro, a cargo de la FIME, cuenta con laboratorios equipados con tecnología de tercera generación, con un hangar y un túnel de viento; características que lo hacen único en México. La ceremonia concluyó con la firma de un acta compromiso del CIIIA que formaliza el impulso que este centro dará a la industria aeronáutica regional y nacional. Momento en que las autoridades gubernamentales y universitarias cortan el listón durante la inauguración del Centro de Investigación e Inovación en Ingeniería Aeronáutica, FIME-UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 II. FALLECE EL ING. AURELIO SALVADOR FERNÁNDEZ GONZÁLEZ El pasado 27 de febrero de 2012, falleció el Ing. Aurelio Salvador Fernández González, director de la Escuela Industrial Álvaro Obregón de la UNL del 3 de marzo de 1951 al 25 de noviembre de 1953. Durante su gestión la FIME obtiene su categoría de facultad ofreciéndose la carrera de Ingeniero Mecánico, que hasta ese momento se impartía en la EIAO. Es considerado el segundo director de la FIME. El Ing. Fernández González, egresado de dicha escuela, se tituló de Ingeniero Mecánico y de Ingeniero Electricista en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional, en la ciudad de México, en 1942. Miembro fundador de la Asociación de Ingenieros Mecánicos y Electricistas (AMIME) sección Monterrey. III. RECONOCIMIENTOS AL DR. RAÚL QUINTERO FLORES En una ceremonia encabezada por el Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, efectuada el pasado 17 de enero de 2012, la Universidad Autónoma de Nuevo León reconoció al Dr. Raúl 65 �Eventos y reconocimientos El Dr. Raúl Gerardo Quintero Flores recibe de las autoridades de la UANL un reconocimiento por su fructífera trayectoria profesional. Gerardo Quintero Flores por su Premio Nacional de Ciencias y Artes 2011, en la categoría de Tecnología y Diseño. El Dr. Quintero es un distinguido egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas. Ha sido profesor, investigador y es miembro de la Junta de Gobierno de la UANL. Fue el creador de los doctorados de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL y es inventor con varias patentes registradas relacionadas con aspectos energéticos en la industria del hierro. Recibió un Doctorado Honoris Causa 1991 por la UANL, El Premio Nacional de Ciencias y Artes es el máximo galardón que entrega el Gobierno mexicano a través de la Secretaría de Educación Pública desde 1945 y lo otorga en seis categorías: Lingüística y Literatura, Historia y Ciencias Sociales, Bellas Artes (pintura y escultura), Tecnología y Diseño, Ciencias Exactas y Artes populares de México. El Dr. Quintero recibió el suyo de manos del Presidente de la República, Lic. Felipe Calderón Hinojosa, el pasado 19 de diciembre de 2011 en la Residencia Oficial de los Pinos. I V. R E C O N O C E L A U A N L A M U J E R E S COMPROMETIDAS CON LA SOCIEDAD Con motivo del Día Internacional de la Mujer, el pasado 8 de marzo de 2012, la Universidad Autónoma de Nuevo León reconoció en una ceremonia a cinco 66 Momento en que la Dra. Leticia Myriam Torres Guerra recibe el reconocimiento por su trayectoria cientifica. mujeres por su trayectoria ejemplar en el desarrollo científico, económico y social del país. En este evento celebrado en el Aula Magna “Fray Servando Teresa de Mier” del Colegio Civil Centro Cultural Universitario, de la UANL, con la presencia de la Lic. Juana Aurora Cavazos Cavazos, Secretaria de Desarrollo Social de Nuevo León, en representación del Gobernador Rodrigo Medina de la Cruz, el Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez entregó el Reconocimiento “Flama, Vida y Mujer” a: • Minerva Martínez Garza, Categoria de Desarrollo Gubernamental • Nichole Reich Polignac, Categoria de Desarrollo Empresarial • Leticia Myriam Torres Guerra, Categoria de Docencia e Investigación • Nora Calderón de Garza, Categoria de Asistencia Social • Cristina Pineda Antúnez, Categoria de Vinculación Internacional V. INVESTIGADORES DE LA UANL EN LA ACADEMIA MEXICANA DE CIENCIAS El pasado 23 de enero de 2012 se llevó a cabo en la Biblioteca Universitaria “Raúl Rangel Frías” la entrega de reconocimientos a los nuevos miembros de la Academia Mexicana de Ciencias, Región Noreste, en una ceremonia encabezada por el presidente nacional de la AMC, Dr. Arturo Menchaca Rocha, y la presidenta de la sección Noreste, Dra. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año. XV, No. 55 �Eventos y reconocimientos • • • • • Miembros de la sección noreste de la Academia Mexicana de Ciencias y autoridades de la UANL acompañando a los nuevos miembros de la AMC. Norma Heredia Rojas, con la presencia del rector de la UANL, Dr. Jesús Áncer Rodríguez. La sección Noreste de la Academia Mexicana de las Ciencias está formada por académicos de Nuevo León, Coahuila, Tamaulipas y Durango, y en esta ocasión 20 investigadores de esta sección fueron admitidos como miembros regulares, de los cuales 15 pertenecen a la Universidad Autónoma de Nuevo León y se listan a continuación. • Oscar Alberto Aguirre Calderón, Facultad de Ciencias Forestales • Germán Cisneros Farías, Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 • • • • • • • • Facultad de Derecho y Criminología Arquímedes Cruz López, Facultad de Ingeniería Civil Elvira Garza González, Facultad de Medicina Martha Guerrero Olazarán, Facultad de Ciencias Biológicas María Aracely Hernández Ramírez, Facultad de Ciencias Químicas Javier Jiménez Pérez, Facultad de Ciencias Forestales Isaías Juárez Ramírez, Facultad de Ingeniería Civil José Rubén Morones Ibarra, Facultad de Ciencias Físico Matemáticas Eduardo Pérez Tijerina, Facultad de Ciencias Físico Matemáticas Martín Edgar Reyes Melo, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Julio César Salas Alanís, Facultad de Medicina Eduardo Sousa González, Facultad de Arquitectura Jorge Noel Valero Gil, Facultad de Economía José María Viader Salvadó, Facultad de Ciencias Biológicas 67 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL * Enero a Diciembre 2011 Sergio David Madrigal Espinoza. Doctor en Ingeniería de Sistemas. Tesis: Pronóstico de series temporales con estacionalidad, 3 de febrero de 2011. Jurado: Dr. Rodolfo Garza Morales (asesor), Dr. César E. Villarreal Rodríguez, Dr. Arturo Berrones Santos, Dr. Francisco J. Almaguer Martínez, Dr. Pedro A. Villezca Becerra. Luis Alberto López Pavón. Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Síntesis y caracterización de nanopartículas y películas delgadas por métodos físicos a partir de aleaciones con efecto de memoria de forma, 3 de marzo de 2011. Jurado: Dr. Enrique M. López Cuellar (asesor), Dr. Alejandro Torres Castro, Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, Dra. Carmen I. Ballesteros Pérez, Dr. Carlos Jose de Araujo. Ulises Matias García Pérez. Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Síntesis de m-BiVO4 por métodos de combustión, co-precipitación e hidrotermal en presencia de agentes estructurales y evaluación de sus propiedades fotocatalíticas, 2 de septiembre de 2011. Jurado: Dr. Azael Martínez De la Cruz (asesor), Dra. Selene Sepúlveda Guzmán, Dr. Enrique M. López Cuellar, Dr. Eduardo M. Cervantes Sánchez, Dr. José Ricardo Gómez Romero. Román Jabir Nava Quintero. Doctor en Ingeniería de Materiales (Cotutela). Tesis: Reducción del espesor del material dieléctrico base BaTiO3 para capacitores, 17 de octubre de 2011. Jurado: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib (asesor FIME-UANL)., Dr. Martin A. Reyes Melo, Profr. Bernard Durand, Dra. Sophie Guillement-Fritsch (asesor UPS, Francia), Dr. Félix Sánchez de Jesús. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. 68 Juan Francisco Luna Martínez. Doctor en Ingenieria de Materiales. Tesis: Síntesis y caracterización de materiales nanoestructurados a base de una matriz polimérica de carboximetilcelulosa, 17 de octubre de 2011. Jurado: Dr. Martin E. Reyes Melo (asesor), Dr. Virgilio A. González González, Dr. Carlos A. Guerrero Salazar, Dra. Selene Sepúlveda Guzmán, Dr. Dario Bueno Baques. Johnny Rodríguez Maldonado. Doctor en Ingenieria Eléctrica. Tesis: Instantaneous estimation of oscillating phasors with Taylor-Kalman-Fourier filters, 2 de noviembre de 2011. Jurado: Dr. José Antonio De la O Serna (asesor), Dr. Efraín Alcorta García, Dr. Juan M. Ramírez Arredondo, Dr. Arturo Conde Enríquez, Dr. Marco Tulio Mata Jiménez. Miguel Ángel Platas Garza. Doctor en Ingeniería Eléctrica. Tesis: Una extensión a la transformada de Fourier, transformada Taylor-Fourier, 4 de noviembre de 2011. Jurado: Dr. José Antonio de la O Serna (asesor), Dr. Marco Tulio Mata Jimenez, Dr. Ramón M. Rodríguez Dognino, Dr. José Ramón Rodríguez Cruz, Dra. Gina Ma. Idarraga Ospina. Edith Lucero Ozuna Espinoza. Doctora en Ingeniería de Sistemas. Tesis: Heuristicas lagrangianas para el problema de localización capacitado en dos etapas, 24 de novimbre de 2011. Jurado: Dr. Igor Semionovich Litvinchev (asesor), Dr. Miguel Mata Perez, Dra. Ada Margarita Alvarez Socarras, Dra. Ma. del Socorro Nogueira R., Dra. Karim de Alba Romenus. Jorge Adrian Aldaco Castañeda. Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Simulación atomística de la fractura dinámica en un material frágil, 13 de diciembre de 2011. Jurado: Dr. Moisés Hinojosa Rivera (asesor), Dr. Virgilio A. González González, Dr. Martin E. Reyes Melo, Dr. Orlando Susarrey Huerta, Dra. Oxana Vasilievna Kharissova. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año. XV, No. 55 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Diciembre 2011 - Febrero 2012 Arturo Iván Romero Castañeda, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 1 de diciembre de 2011. Pedro Jacinto Páramo Kañetas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización microestructural y mecánica de una aleación Inconel 718 con deformación termomecánica a diferentes condiciones”, 7 de diciembre de 2011. Demetrio García Almazán, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Sistemas Eléctricos de Potencia, “Generación de alarma ante oscilaciones mediante la transformada digital Taylor-Fourier”, 7 de diciembre de 2011. José Martín García Ruiz, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 7 de diciembre de 2011. Miguel Ángel Ramírez Tobanche, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Respuesta del tratamiento térmico T6 de una aleación 319 con variación en el contenido de Cu y Mg”, 9 de diciembre de 2011. Miguel Ángel Herrera Bucio, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 9 de diciembre de 2011. Jose Luis Castro Diaz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 9 de diciembre de 2011. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 Alfredo Bonilla Barencia, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Expresiones analíticas de la parametrización de controladores estabilizantes y sensibilidad mezclada”, 12 de diciembre de 2011. Verónica Sofía Guerrero Salas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 15 de diciembre de 2011. Joel Baldemar Ortiz Mendoza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Desarrollo de materiales híbridos nanoestructurados CMC/CoFe2O4”, 16 de diciembre de 2011. Juan José Acevedo Montelongo, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 19 de diciembre de 2011. Nancy Adriana Delgadillo Plata, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la relación de variables de proceso, microestructura y propiedades del hierro grafito compacto”, 19 de diciembre de 2011. Daniela María del Rosario Téllez López, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización de aceros avanzados y estudio de su resistencia mecánica y conformabilidad”, 19 de diciembre de 2011. Eduardo Rafael Tamez Alanís, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Examen por materias), 11 de enero de 2012. Rolando Enrique González Acuña, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización de geopolímeros base ceniza volante y escoria granulada de alto horno”, 20 de enero de 2012. 69 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Eliezer Garza González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Sincronización de redes complejas aplicado al encriptado de datos”, 19 de enero de 2012. Héctor Ayax Cabello Tijerina, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 26 de enero de 2012. Rolando Rodríguez González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 27 de enero de 2012. Edgar Alexandro Rojas Lugo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Control robusto paramétrico mediante QFT del looper de un molino de laminación en caliente”, 30 de enero de 2012. Ana Verónica Espinoza González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 31 de enero de 2012. Jorge Rivera Garza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable, “Análisis tridimensional del proceso de combustión en quemador de energía cinética turbulenta”, 31 de enero de 2012. 70 Leonel A. Martínez Daniel, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable, “Análisis en un modelo bidimensional axisimétrico del proceso de combustión en un quemador industrial”, 31 de enero de 2012. David Quiroga Correa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 31 de enero de 2012. Roberto Carlos Gallardo Quintanilla, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Modelo de operación para materiales MRO en una empresa manufacturera caso Vitro”, 2 de febrero de 2012. Dante Alighieri López Reyna, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 8 de febrero de 2012. Judith Arianna Maldonado Serna, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 22 de febrero de 2012. Roberto Eduardo Tenorio Ramos, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Examen por materias), 22 de febrero de 2012. Enrique Martínez Arriaga, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 22 de febrero de 2012. Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año. XV, No. 55 �Acuse de recibo KEME SISTEMAS Y TELEMÁTICA (S&T) El Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos, IMIQ produce trimestralmente “KEME, la revista de la industria química”, esfuerzo editorial de divulgación, que en formato limpio y de lectura rápida, presenta desde artículos científicos hasta noticias del medio industrial en las diferentes áreas de la química. Como ejemplo del contenido de esta publicación, en el número 4, de su año 1, correspondiente a diciembre 2011-febrero 2012, en la sección de artículos se abordan aspectos sobre: selección de tecnologías en plantas de refinación, actualización del control de corrosión en unidades de destilación de crudo, predicción del poder calorífico bruto y temperatura de nublamiento del biodiesel, hidroisomerización de alcanos, entre otros. Además se hace un recuento del LI Congreso Nacional del IMIQ y de la EXPO IMIQ 2011, llevados a cabo en la ciudad de Puebla, y se presentan noticias de los sectores tanto académico como industrial. La edición virtual de Keme se puede consultar en la página en internet de IMIQ en la dirección www. imqi.com.mx (FJEG) Se trata de una publicación trimestral (ISSN 1692 5238) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad ICESI en Colombia, presenta artículos, en español o inglés, en el área de sistemas y otras afines como comunicaciones y computación. En algunos números, como el 18, se presentan trabajos que están clasificados como originales, de revisión y de reflexión, dando cabida a múltiples formas de exposición. También tiene cierto orden temático, por ejemplo en un número hay un trabajo titulado “Análisis sobre la coexistencia e interferencia de los sistemas móviles y la televisión digital” y en el siguiente número (19, octubre-diciembre 2011) se ofrece el tema “Modelos de propagación radio para redes de TDT móvil en la banda UHF”. Otro trabajo interesante en este número es “Impacto de las herramientas lean en el consumo de energía” que fue extraído de una investigación de posgrado en la Universidad de Texas en San Antonio. Conviene leer esta revista con luz de día o en Internet (http://www.icesi.edu.co/sistemas_ telematica) porque con las características de impresión utilizadas es difícil hacerlo con luz artificial. (JAAG) Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 71 �Colaboradores Berrones Santos, J. Arturo Doctorado en física por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos en 2002. Es profesorinvestigador de la FIME-UANL. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel I. Cantú Cuéllar, Ramón Licenciado en Matemáticas por la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la UANL (1989). Maestro en Ciencias de la Administración, especialidad en Investigación de Operaciones (1996) y Doctorado en Ingenieria de Materiales por la FIME-UANL en el 2009. Desde 1990 es profesor de matemáticas de la FIME-UANL y desde 2010 es profesor de la Maestría en Administración Industrial y de Negocios FIME UANL. Cúpich Guerrero, Jorge Alejandro Ingeniero Mecánico Administrador (2002) y Maestro en Administración Industrial y de Negocios con especialidad en Producción y Calidad (2008) por la FIME-UANL. Desde 2005 es catedrático de la FIME-UANL. De la O Serna, José Antonio Doctor en Telecomunicaciones por la Escuela Nacional Superior de Telecomunicaciones de París, Francia (1982). Entre 1982 y 1986 trabajó en el ITESM. De 1988 a 1993 trabajó en el Politécnico de Yaoundé, Camerún. Actualmente es Profesor Investigador de la UANL. Es miembro del SNI. Díaz Romero, Minerva A. Actualmente estudiante de Doctorado en Ciencias de la Computación en la Universidad de Las Américas, Puebla. Recibió su título de Maestría en Ciencias 72 en Ingeniería de Sistemas en la UANL y su título de Ingeniería en Ciencias de la Computación en la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. Elizondo Garza, Fernando Javier Ingeniero Mecánico Electricista por la FIME-UANL. Diplomado en Administración de Tecnología en el CINVESTAV del IPN. Maestría en Ingeniería Ambiental por la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. Premio Estatal de Ecología N.L. 2002, Reconocimiento al Mérito Académico ANFEI 2003 y Profesor Emérito de la UANL. Actualmente es catedrático y consultor de la FIME. Director de la Revista Ingenierías. Elizondo Villarreal, Roberto Ingeniero Industrial Administrador (1968).y Maestría en Administración con especialidad en Administración General por la FCQ-UANL. Master of Business Adminstration (Saint Edward’s University, Texas, EUA). Maestría en Ciencias con especialidad en Ingeniería Nuclear (FCFM-UANL 1990). Actualmente es Profesor de Posgrado en Nuevo Laredo, Tamaulipas. Escalante Balderas, Hugo Jair Doctorado en Ciencias Computacionales por el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) en 2010, donde actualmente se desempeña como investigador asociado. Es SNI nivel C. Espinosa Guevara, Katia Estudiante de la carrera de Ingeniería Industrial en el Instituto Tecnológico de El Mante, en Cd. Mante, Tamaulipas. Fue becaria por la Academia Mexicana Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año. XV, No. 55 �Colaboradores de Ciencias en el programa de verano científico 2011 en la UANL. González González, Virgilio Ángel Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la FCQ-UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Ha sido investigador en el campo de los polímeros desde 1975. Es miembro del SNI nivel II. Ha ganado en varias ocaciones el Premio de Investigación UANL. Es profesor de tiempo completo de la FIME-UANL desde 1998. Mendoza Armenta, Sanzon Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas en la UMSNH. En el 2010 participó en el XX Verano de Investigación Científica, en la División de Posgrado de Ingeniería de Sistemas de la FIME-UANL. Actualmente estudia la Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica en la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Peña Cantú, Brenda Aide Ingeniero Mecánico Administrador por la FIMEUANL. En el verano 2011 obtuvo una beca del PROVERICYT para realizar su estancia de verano. Actualmente es estudiante de Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas en la UANL. Ríos Mercado, Roger Z. Licenciado en Matemáticas de la UANL. Doctor y Maestro en Ciencias en Investigación de Operaciones Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 e Ingeniería Industrial de la Universidad de Texas en Austin. Actualmente es Profesor Titular de la FIME-UANL. Es miembro del SNI Nivel II, de la Academia Mexicana de Ciencias y del Cuerpo Académico consolidado de Ingeniería de Sistemas. Más información en: < http://yalma.fime.uanl. mx/~roger/ >. Ríos Solís, Yasmín Á. Licenciada en Matemáticas por el ITAM, México. Doctorado y Maestría por la Universidad Pierre et Marie Curie, Francia. Actualmente es profesora investigadora del Posgrado en Ingeniería de Sistemas de la UANL. Es SNI nivel 1. Rodríguez Maldonado, Johnny Ingeniero en Electrónica (2004) y Maestro en Ciencias en Procesamiento de Señales (2008) por la Universidad Autónoma de Zacatecas (UAZ). Doctor en Ingeniería Eléctrica (2011) por la UANL. Saucedo-Espinosa, Mario A. Ingeniero Químico por la FCQ-UANL. Actualmente es estudiante de tiempo completo en el Posgrado en Ingeniería de Sistemas de la UANL. Zaid, Gabriel Poeta y ensayista. Ingeniero Mecánico Administrador por el ITESM, Monterrey (1955). Recibió el premio Xavier Villaurrutia (1972). Fue miembro del consejo de la revista Vuelta (1976-1992) y de la Academia Mexicana de la Lengua (1986-2002). Ingresó en El Colegio Nacional el 26 de septiembre de 1984. 73 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes y convocatorias. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Se aceptarán trabajos en inglés solamente de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES En el caso de los trabajos de revisión o divulgación el autor debe demostrar que ha trabajado y publicado en el tema del artículo, debe ofrecer una panorámica clara del campo temático, debe separar las dimensiones del tema y evitar romper la línea de tiempo y considerar la experiencia nacional y local, si la hubiera. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben contener la presentación de resultados de medición acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamentre dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen 74 mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año. XV, No. 55 �La ORGANIZACIÓN MUNDIAL DE FUNDICIÓN (WFO) y la SOCIEDAD MEXICANA DE FUNDIDORES (SMF) INVITAN AL 70º CONGRESO MUNDIAL DE FUNDICIÓN y XVIII FUNDIEXPO Pre-congreso: 23 y 24 de abril de 2012. Saltillo, Coahuila, México Congreso: 25 al 27 de abril de 2012. Monterrey, Nuevo León, México Más Información Tel. + (55) 1087-1600 ext. 1159 angelica@ejkrause.com http://www.wfc2012.com Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año XV, No. 55 75 �76 Ingenierías, Abril-Junio 2012, Año. XV, No. 55 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2012 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 15 Número Número de la revista 55 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2012, Año 15, No 55, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2012 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020818 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Estimación fasorial Filtro de Kalman Incendios forestales Polinomios Sincrofasor https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20777/Ingenierias_2012_Ano_15_No_54_Enero-Marzo.pdf b49b1c9565a3922cf37c3876e454e27a PDF Text Text �54 Contenido Enero-Marzo de 2012, Año XV, No. 54 2 Directorio 3 Editorial El papel de la academia en la ciencia y tecnología Carlos E. Medina De la Garza 7 La química verde en la síntesis de nanoestructuras Pablo Salinas Estevané, Eduardo M. Sánchez Cervantes 17 Las civilizaciones y el uso de la energía Benjamin Limón Rodríguez 21 Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo Pablo A. Ruiz Flores, Selene Sepúlveda Guzmán, Virgilio A. González González 28 Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost Hugo Rodríguez Cortés, Miguel Francisco Escalante, Marco Tulio Mata Jiménez 37 Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización vía simulación Shirley Marbella Rojas Minjarez, Esmeralda Niño Pérez, María Guadalupe Villarreal Marroquín, Mauricio Cabrera Ríos 45 Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento a 10 años (1999-2009) Candeleria Ramírez Tule, Mariana L. Reyna Agreda, Aída M. García García, Xóchitl A. Ortiz Jiménez, Pablo Valdez Ramírez 54 Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas Arturo López Marure, Ariana M. Vázquez Almaguer, Luis Javier Andrade Cruz, Adrián Vázquez Vázquez 61 Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman José Antonio De la O Serna, Johnny Rodríguez Maldonado 74 Eventos y reconocimientos 77 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 79 Acuse de recibo 80 Colaboradores 82 Información para colaboradores Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 1 �Ingenierías, Año XV, N° 54, eneromarzo 2012. Fecha de publicación: 15 de enero de 2012. Revista trimestral, editada y publicada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Apartado Postal 076F, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, CP.66451. Telefono:+52 (81) 83294020 Ext. 5854. Impresa por: FAGSA México, Facsímil Arte Gráfico, S.A. de C.V., Félix U. Gómez Nte. 2818, Col. Cementos Monterrey, N.L., México, C.P. 64520. Fecha de terminación de impresión: 15 enero de 2012. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P.66450. Número de reserva de derechos al uso exclusivo del título Ingenierías otorgada por el Instituto Nacional del Derecho de Autor: 04-2011-101411064600-102, de fecha 14 de octubre de 2011. Número de certificado de licitud de título y contenido: En trámite. ISSN: 1405-0676. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Ingenierías es una publicación trimestral arbitrada, editada por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionales, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. Las opiniones y contenidos expresados en los artículos son responsabilidad exclusiva de los autores. Prohibida su reproducción total o parcial, en cualquier forma o medio, del contenido editorial de este número sin previa autorización. Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. Versión en extenso en internet: http:// ingenierias.uanl.mx/ Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2012 revistaingenierias@gmail.com 2 DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector: Dr. Jesús Áncer Rodríguez Secretario General: M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico: Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado: Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura: Lic. Rogelio Villarreal E. Director de Publicaciones: Dr. Celso José Garza Acuña FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA Director: M.C. Esteban Báez Villarreal Sub-Director de Estudios de Posgrado: Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Académico: M.C. Arnulfo Treviño Cubero REVISTA INGENIERÍAS Director: M.C. Fernando J. Elizondo Garza, FIME-UANL Editor Responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, FIME-UANL Redacción: Lic. Julio César Méndez Cavazos CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Samir Nagi Yousri Gerges, Brasil. UFSC, Florianopolis / Dra. Karen Lozano, USA. UT-Panam / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Óscar L. 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José de Jesús Luna Gutiérrez Indización: Dr. Cesar Guerra Torres / L.Q.I. Sergio A. Obregón Alfaro Diseño : M.A. José Luis Martínez Mendoza Fotografía : M.C. Jesús E. Escamilla Isla Webmaster: Ing. Cosme D. Cavazos Martínez / Ing. Dagoberto Salas Zendejo Impresor: René de la Fuente Franco Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Editorial: El papel de la academia en la ciencia y tecnología Carlos E. Medina De la Garza Servicio de Inmunología, Facultad de Medicina, Hospital Universitario “Dr. José E. González” y Centro de Investigación y Desarrollo en Ciencias de la Salud, UANL carlos.medina@uanl.mx Durante el reciente Congreso Internacional de Biotecnología “BioMonterrey 2011”, organizado por el Consejo de Ciencia y Tecnología de Nuevo León (COCYTE) y la UANL, y realizado en el Centro de Investigación y Desarrollo en Ciencias de la Salud (CIDICS) de la UANL, tuvimos el privilegio de compartir algunas ideas en el contexto de lo que quise titular como “Responsabilidad académica pública”. Hablar del futuro de México es hablar del futuro de sus universidades, retomando una idea similar de quienes se dedican a explorar el futuro de la educación.1 Deseo volver a algunas ideas y opiniones en ese escrito.2 Las Universidades Públicas tenemos la responsabilidad de contribuir de manera específica y decidida en los procesos de cambio que necesita este país. Este cambio no se dará por sí solo, necesitamos una masa crítica de individuos pensantes y competentes para reconocer los problemas da la sociedad y usar la ciencia, la tecnología para intentar resolverlos. Necesitamos ciudadanos preparados, recursos humanos de la más alta sensibilidad social y competencia intelectual y técnica. Para ello, la misión de la Universidad es, a través de sus diferentes programas, permitir el acceso a ella a individuos de cualquier estrato social, quienes encontrarán ahí el ambiente educativo adecuado para desarrollar su talento y competitividad. PENSAR Y HACER Los problemas no se resuelven solos y las cosas no se hacen solas. En el caso de la ciencia y la tecnología no sólo se debe crear conocimiento y conceptos, sino también procurar el desarrollo de la capacidad para realizar las cosas tanto con las manos, como con la mente. Es una falacia pensar que todo se resuelve y se crea ya al momento de concebir una idea. Hay que trabajarla, hay que someterla a experimentación, hay que sacar un producto de ella y en pocas palabras, hay que hacerla realidad tangible. Quisiera expresar un cierto recelo por la idea de poner todas nuestras esperanzas de progreso científico y tecnológico en el concepto que llamamos “mentefactura”. No debemos sentirnos dueños de la mentefactura antes de haber demostrado que no sólo podemos idear las cosas, sino también hacerlas. Creo que únicamente idear puede convertirse en un error estratégico y conceptual. Las Universidades deben resistir la tentación de sentirse la panacea a la problemática Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 3 �El papel de la academia en la ciencia y tecnología / Carlos E. Medina De la Garza de competitividad científica, sin hacer el correspondiente esfuerzo intelectual y factual de contribuir a la ciencia básica y a la tecnología aplicada. Su misión incluye crear conocimiento, crear recursos humanos, crear bienestar y estabilidad social, a través de la educación. El bluff y el makebelieve que parecen crear moda, no pueden permear a la Universidad Pública si verdaderamente queremos sacar la pelota del cuadro, por usar un término coloquial y deportivo. POSGRADOS Y PROGRESO La relevancia que revisten los posgrados en la Universidad Pública reside en que en ellos esperamos se forjen los científicos y tecnólogos que el país necesita. Es precisamente en los posgrados donde hay que estar alerta y no ceder a las tentaciones clientelistas ni confundir la ciencia con la administración. Esta responsabilidad recae en la pertinencia y factibilidad de los programas de maestría y doctorado y en la solvencia académica de los profesores involucrados en los mismos. Crear la masa crítica de científicos que el país requiere solo será posible con el trabajo sistemático y bien dirigido a través de los posgrados. Tenemos que integrar cada vez más en ellos a los talentos y mentes brillantes de nuestras instituciones y de nuestra sociedad. Asimismo, para la labor científica y tecnológica, se necesita la infraestructura adecuada, sin olvidar que la infraestructura por sí misma no estudia posgrados, no hace experimentos, no hace diseños, no escribe artículos, no crea soluciones a los problemas ni solicita patentes. Son los recursos humanos capacitados, los científicos, profesores y alumnos, quienes lo hacen. Es muy importante que los profesores y los egresados de las Universidades no sólo sepan reconocer los problemas, sino que sepan el fundamento y las herramientas para resolverlos, es decir, la gente necesita saber matemáticas, física, bioquímica, fisiología. El conocimiento básico es imprescindible. Si uno desea ver más profundamente esto, sugiero estudiar la formación académica y experimentalista de algunos premios Nóbel de medicina. Es interesante ver que casi todos poseían o poseen, un profundo conocimiento de las ciencias básicas.3 Es tentador salirnos por la vía menos complicada, dedicarnos sólo a la tecnología y a la modificación de las cosas que ha hecho alguien más, la innovación. Que no 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �El papel de la academia en la ciencia y tecnología / Carlos E. Medina De la Garza se malinterpreten estas palabras: un país como México necesita tanto la ciencia aplicada y la tecnología, como la ciencia básica. La Universidad Pública debe tener en sus objetivos la promoción equilibrada de estas dos áreas. Por otro lado, la educación, el trabajo y el papel del científico no son fáciles en México. Pablo Valdez-Ramírez ha plasmado en Ingenierías4 esta problemática en un artículo que es bueno leer y releer, para ayudarnos a dimensionar y resolver las dificultades que implica educar y ser un científico, en una sociedad que parece desconfiar de la ciencia y de los individuos que se dedican a ella. CÍRCULO VIRTUOSO Para terminar, es importante que de manera seria, sincera y organizada exista la colaboración entre las instancias gubernamentales, empresariales y académicas. Sugiero que el esquema de cooperación entre estas instancias incluya lo que señalo en la tabla siguiente y que he denominado las Co-Co´s, en un evidente juego de palabras y eufonía, buscando simbolizar que el conocimiento, la conciencia, la cooperación y la conectividad deben ser los pilares sobre los cuales la interacción se construye. Premisas y condiciones para el desarrollo coherente de la (Bio)tecnología. (Co-Co´s) CONOCIMIENTO • • • Ciencia Tecnología Innovación CONCIENCIA • • • • Uso de la (Bio)tecnología / Confianza Educación Ética de la (Bio)tecnología Responsabilidad COOPERACIÓN CONECTIVIDAD • • • • Gobierno Academia: Pública / Privada Empresa : Pública / Privada Sociedad En el desglose de las Co-Co´s desde el punto de vista de la Universidad, no podemos abandonar la creación de conocimiento a través de la ciencia básica ni su uso práctico a través de la tecnología y la innovación. Al hacerlo así, debemos ejercer la conciencia de ser responsables de su creación y su uso, de la educación a la población en cuanto a sus beneficios y de generar la confianza de que a través de ella podremos resolver una parte de nuestros apremiantes problemas. Esto conlleva los aspectos éticos que la Universidad no puede simplemente sobreseer. La cooperación y la conectividad, sin ánimo de ser iterativo, deben ser los elementos primordiales en el desarrollo de la tecnología por los tres actores antes mencionados. El flujo de información veraz es tan importante como el origen de la misma. El objetivo del avance científico y tecnológico del país deberá estar basado, y esto no es un secreto, en una política de estado congruente que promueva que la universidad pública y privada, las empresas y el gobierno trabajen en sinergia y acuerdo, y que el respeto y el reconocimiento sean mutuos y proporcionales, y no supeditados a supuestos prestigios o logros. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 5 �El papel de la academia en la ciencia y tecnología / Carlos E. Medina De la Garza La universidad pública tiene el compromiso de proveer a la sociedad de los mejores programas de estudio y las mejores condiciones para la creación de conocimiento. Sólo así podremos recuperar el tiempo perdido y proveer a nuestra sociedad un mejor nivel de vida. Suena difícil, porque lo es, pero se debe trabajar en ello. REFERENCIAS 1. Michavila, F. Editor. La universidad, corazón de Europa. Editorial Tecnos. 2008. Madrid. 2. Medina De la Garza, C.E. La responsabilidad académica pública. Revista Ciencia Conocimiento Tecnología 2011. 121. pp. 73-76. 3. Medina De la Garza, C.E. El trasplante y los premios Nobel. Medicina Universitaria 2001. 3.pp. 237-42. 4. Valdez Ramírez, P. Problemas en la formación de científicos en México. Ingenierías. 2009. XII. (43). pp. 12-18. 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras Pablo Salinas-EstevanéA,B, Eduardo M. Sánchez CervantesB A B Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, UANL Laboratorio de Energía Verde, Facultad de Ciencias Químicas, UANL eduardo.sanchezcv@uanl.edu.mx RESUMEN La química verde provee los fundamentos básicos para evitar la contaminación y hacer uso eficiente de la energía. Se ha realizado una revisión básica de solventes alternos o “verdes” (líquidos supercríticos y líquidos iónicos) y el uso de energía ultrasónica en la preparación de nanoestructuras. Así mismo se presenta el uso de diferentes líquidos iónicos en la síntesis, basada en ultrasonido de baja energía, de nanoestructuras de sulfuro de antimonio. PALABRAS CLAVE Nanomateriales, química verde, fluidos supercríticos, líquidos iónicos, sonoquímica. ABSTRACT Green Chemistry provides the basic elements to avoid the pollution and have efficient use of energy. We present a short review of alternative “green” solvents (supercritical fluids and ionic liquids) and the use of ultrasonic energy in the preparation of nanostructures. Likewise, we present the use of different ionic liquids towards the synthesis, based on low energy irradiation, of antimony sulphide structures. KEYWORDS Nanomaterials, green chemistry, supercritical fluids, ionic liquids, sonochemistry. INTRODUCCIÓN La química verde consiste en el esfuerzo colectivo para reducir al mínimo, o de ser posible eliminar por completo la contaminación producida en procesos químicos evitando al máximo el desperdicio o uso indiscriminado de materias primas no renovables, así como el empleo de materiales peligrosos o contaminantes en la elaboración de productos químicos “limpios”, que no atenten contra la salud o el ambiente. Los medios que utiliza la química verde se centran en la disminución o eliminación del uso de productos químicos tóxicos y el reciclaje de los desechos producidos por el avance tecnológico, de una manera creativa de tal forma que se consiga un mínimo impacto a los seres humanos y al medio ambiente. Todo lo anterior sin sacrificar el avance científico y tecnológico. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 7 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. Ahora bien no hay que confundir la química ambiental con la química verde. La diferencia es que la primera tiene como objetivo el saneamiento y remediación de los efectos en el ambiente de los procesos contaminantes, la química verde intenta prevenir la contaminación en su origen. Debido a ello existe cada vez un mayor avance en la aplicación del criterio de prevenir la contaminación antes de que ésta se produzca, en lugar de reprocesar productos para descontaminar, llevando como lema simple que es mejor prevenir que remediar. En 1990 se aprobó el Acta para Prevención de la contaminación en Estados Unidos,1 lo cual ayudó de manera importante a prevenir la generación de contaminantes a través de medios como los controles de ingeniería, el control de inventarios, la optimización de procesos y el desarrollo de la química verde. Hoy en día, Paul J. Anastas es considerado el padre de la química verde gracias a su trabajo en este campo. Anastas2 define a la química verde como aquella filosofía de trabajo que implica la utilización de herramientas y caminos alternativos que prevengan la contaminación, y en este sentido se refiere tanto al diseño de la estrategia sintética como al tratamiento de los posibles productos secundarios que se devengan de dicha ruta. Para ello, esta filosofía ha seguido unas pautas de actuación basadas en el sentido común y que, aunque complicadas de cumplir en muchos casos, sirven para minimizar los efectos nocivos derivados de la práctica de la química. A continuación se enumeran los principios básicos de la química verde: 1. Es mejor prevenir los residuos que tratarlos o limpiarlos una vez formados. 2. La ruta sintética debe ser diseñada con el objetivo de maximizar la incorporación de los materiales usados en el producto final. 3. La metodología sintética debe procurar generar el número mínimo de sustancias tóxicas para el ser humano y el medio ambiente. 4. Los productos químicos diseñados deben ser eficaces a la par que inocuos. 5. El uso de sustancias auxiliares (disolventes) debe ser evitado si es posible. 6. Los requerimientos energéticos de la ruta sintética también deben ser tenidos en cuenta y minimizados. Las reacciones deben llevarse a cabo a temperatura ambiente y presión 8 atmosférica normal cuando sea posible. 7. Las materias primas deben ser renovables cuando sea técnica y económicamente posible. 8. La formación de subproductos debe ser evitada en lo posible. 9. Los reactivos catalíticos (selectivos mejor) serán elegidos sobre los estequiométricos. 10. Los productos químicos deben ser diseñados de modo que al final de su vida útil se descompongan en compuestos inocuos. 11. La metodología analítica debe ser usada para poder controlar los procesos, evitando la formación de sustancias peligrosas. 12. Las sustancias y el estado físico de éstas deben ser elegidas con cuidado de modo que se eviten potenciales situaciones de riesgo, como explosiones o fuegos. La química, como la ciencia de la materia y de su transformación, desempeña un papel fundamental en este proceso y es el puente entre la física, las ciencias materiales y las ciencias de la vida. Solamente los procesos químicos que han alcanzado (después de la optimización cuidadosa) un máximo en eficacia llevarán productos sostenibles a la producción. Los científicos e ingenieros, que inventan, desarrollan y optimizan tales procesos desempeñan un papel dominante. Su conocimiento, creatividad y anticipación es primordial para llevar reacciones y procesos químicos a la eficacia máxima. La “Química Verde” tiene como misión el promover las tecnologías químicas innovadoras que reduzcan o eliminen el uso o la generación de sustancias peligrosas en el diseño, fabricación y uso de productos químicos. La nanociencia sigue en “fase del descubrimiento” donde se están sintetizando nuevos materiales en escala nanométrica. Típicamente, los investigadores se centran en la identificación de nuevas características y usos. Consecuentemente, la preocupación de propiedades indeseables del material se difiere a menudo. Dado el alto potencial de aplicación de los nanomateriales, se debe considerar un diseño de los procesos de producción con un impacto mínimo ambiental. Las condiciones de reacción se pueden ajustar de tal manera que es posible llegar a un producto de manera eficiente y manera benigna al medio ambiente. Las variaciones en los medios de reacción pueden implicar modificaciones Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. bastante simples como la sustitución del solvente, la reducción de la temperatura y/o presión, o el uso de técnicas avanzadas que proporcionen un entorno propicio para producir productos de alta calidad. A continuación se describen los últimos avances en el uso de solventes alternativos (fluidos supercríticos y líquidos iónicos) y el uso de química ultrasónica hacia la síntesis verde o de bajo impacto ambiental de una variedad de nanoestructuras. Por último se presentan detalles del trabajo realizado por el grupo de investigación en el uso de diversos líquidos iónicos en la síntesis de nanoestructuras de estibnita. SÍNTESIS SUPERCRÍTICA Un fluido supercrítico es una substancia que se encuentra por encima de su temperatura crítica (Tc) y de su presión crítica (Pc). La figura 1 muestra el diagrama de fases uniario del CO2. En el punto crítico (Pc) se termina el equilibrio líquido-vapor y ambas fases se vuelven indistinguibles. En esta región la densidad del vapor que se ha formado y la densidad del líquido restante es la misma, obteniéndose así lo que se denomina un fluido supercrítico (FSC). Sus propiedades están entre las del vapor y las del líquido, de ahí sus ventajas y posibilidades de aplicación. La utilización de fluidos supercríticos (FSC) en la obtención de nanomateriales, presenta una serie de ventajas, relacionadas con las propiedades de solvatación y de transporte tan interesantes que poseen estos fluidos, y especialmente la posibilidad de modificarlas con pequeños cambios en temperatura y/o presión. Estas propiedades, frecuentemente denominadas como un “híbrido entre las de un líquido y las de un gas”, incluyen la capacidad para disolver solutos, miscibilidad con gases permanentes, alta difusividad, baja viscosidad, etc.3 La tabla I muestra las propiedades de los principales FSC utilizados en la síntesis de nanoestructuras donde el CO2-sc y el H2O-sc son los más utilizados por baratos, asequibles, incombustibles e inocuos. Sin embargo, el primero es relativamente más fácil de procesar. El uso de surfactantes en la preparación de nanopartículas es típico como agentes estructurantes. Sin embargo, son difíciles de remover. El uso del CO2 supercrítico permite extraer los mismos. Por ejemplo, Nguyen-Phan4 logró remover la hexadecilamina de una red mesopórica de cristales de anatasa utilizando una extracción de CO2 supercrítica del solvente con un tratamiento térmico moderado posterior. Este proceso les permitió evitar la destrucción de la nanoestructura por efecto meramente térmico de eliminación del surfactante. Lucky5 reportó la preparación de fibras de TiO2 de escala nanométrica dopadas con Fe utilizando una ruta clásica sol-gel pero utilizando el CO2-sc como solvente obteniendo una mejora en las propiedades fotocatalíticas por una mejor incorporación del agente dopante (Fe) en la estructura de la anatasa. Por otro lado, nanoesferas de TiO2 fueron obtenidas por sol-gel utilizando CO2sc6 eliminando la necesidad de solventes orgánicos. La técnica consistió en la hidrólisis controlada del precursor de titanio. SÍNTESIS U LT R A S Ó N I C A DE NANOESTRUCTURAS La sonoquímica se basa fundamentalmente en los efectos químicos producidos por la propagación de Tabla I. Valores críticos de algunos fluidos supercríticos. Sustancia Fig. 1. Diagrama de fases del dióxido de carbono indicando la región supercrítica.3 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Temperatura Presión crítica/°C crítica/bar Densidad crítica/g-cm-3 CO2 31.0 73.8 0.469 C2H 6 32.3 48.8 0.203 NH3 132.4 113.6 0.235 C2H5OH 240.8 61.4 0.276 H2 O 374.2 221.2 0.315 9 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. ultrasonido en el medio de reacción, proporcionando una activación o desarrollo de las reacciones químicas a través de la energía acústica. La mayoría de estos efectos están directamente relacionados con el fenómeno de la cavitación, donde tiene lugar la nucleación, crecimiento e implosión de burbujas. Esta elevada energía de microentorno proporcionada al medio de reacción mediante ultrasonido, junto al campo eléctrico, generan las mejores condiciones para llevar a cabo procesos que sólo podrán llevarse a cabo en condiciones extremas de presión o temperatura. El control exacto sobre las reacciones químicas es clave en la síntesis de nanomateriales. La temperatura y presión son ajustables solamente dentro de ciertos límites definidos por la fuente de energía empleada en reacciones. Cada tipo de energía tiene su propio dominio de las condiciones de reacción determinadas por sus parámetros inherentes de la reacción, según lo representado en la figura 2.7 Comparado a las fuentes de energía tradicional, la irradiación ultrasónica proporciona condiciones inusuales de reacción (tiempos extremadamente cortos para alcanzar altas temperaturas y presiones en líquidos) que no se pueden observar por otros métodos. El método de síntesis sonoquímica para la preparación de nanomateriales fue inicialmente aplicado por Suslick8 donde reportó la preparación de nanopartículas de hierro por sonificación de Fe(CO)6 en una solución ácida, obteniéndose Fe amorfo con tamaño de partícula de 10-20 nm. Así mismo, varios coloides metálicos se han preparado Fig. 2. Rango de energía-tiempo-presión aplicable en el campo de la síntesis química.7 10 vía sonoquímica; en particular, Grieser et.al.9 realizó un estudio sistemático de la reducción asistida por ultrasonido para revelar el mecanismo y entender el efecto de cada parámetro sobre tamaño y forma de partícula encontrándose una marcada interrelación entre la velocidad de reducción y frecuencia aplicada y por ende se pudo controlar el tamaño de partícula obtenido. Por otro lado, Han10 y colaboradores reportaron la irradiación ultrasónica de una solución azucarada de HAuCl4 obteniendo nanocintas de oro con una anchura de 30-50nm y una longitud de varios micrómetros. Se reportó que la irradiación aplicada aumenta el proceso de crecimiento tipo Ostwald vía la cavitación acústica inducida. De este modo, la 1-D-glucosa actúa como agente estructurante unidimensional. Una nueva estrategia es la reducción por desplazamiento metálico asistido por ultrasonido introducido por Zeng y col.11 para la síntesis de las nanopartículas de oro y platino. Aquí, los átomos de los elementos nobles son generados por la reducción de sus precursores sobre la superficie de cobre o hierro bajo irradiación ultrasónica. Un buen número de óxidos metálicos han sido preparados empleando la vía sonoquímica. Sus ventajas sobre métodos convencionales son una distribución dimensional más uniforme, mayor área superficial, tiempos de reacción más rápidos y una mayor pureza de la fase de interés. Como ejemplo de síntesis asistidas con ultrasonido se pueden mencionar las de TiO2,12 ZnO,13 V2O5,14 ZnFe2O415 entre otras. En particular Yu12 y col. encontraron que los nanopartículas preparadas de TiO2 por ultrasonido son más fotoactivas que el producto comercial (e.g., Degussa P25). Tal propiedad fue atribuida a la cristalinidad mejorada de la anatasa explicada por un aumento de la velocidad de hidrólisis en presencia de ultrasonido. Asimismo se ha logrado la síntesis de óxidos cerámicos mesoporosos utilizando la asistencia sonoquímica reduciendo sensiblemente el tiempo de reacción sol-gel a pocas horas. Gedanken y col.16 reportaron la preparación TiO2 mesopórica con una estructura tipo gusano. Para ello aplicaron ultrasonido a una solución de etanol/agua con el precursor de titanio y como agentes estructurantes Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. emplearon aminas primarias de cadena intermedia. El tiempo de reacción fue disminuido dada la alta temperatura en la interface entre la burbuja colapsada y la solución, lo cual aceleró la hidrólisis y la condensación del isopropóxido de Ti. LÍQUIDOS IÓNICOS La gran mayoría de los líquidos que utilizamos comúnmente en nuestra vida cotidiana están hechos de moléculas de carácter polar o no polar. En 1980 la comunidad científica dio a conocer una clase de compuestos iónicos fundidos a temperatura ambiente comúnmente llamados líquidos iónicos (LI). El término líquido iónico se utiliza para describir sales iónicas con puntos de fusión menor a 100 °C. Los LI pueden reemplazar compuestos orgánicos volátiles dado que poseen una presión de vapor despreciable y baja contaminación atmosférica. Una gran diferencia de los LI con respecto a los líquidos moleculares es que los últimos están constituidos por iones. Los líquidos iónicos han tenido diferentes nomenclaturas entre las que podemos encontrar: líquidos iónicos fundidos a temperatura ambiente (LITA), líquidos iónicos con temperatura de fusión superior a la temperatura ambiente, líquidos iónicos no acuosos, sales fundidas, solventes diseñados. Algunas de las características que podemos citar en este tipo de compuestos son: • Poseen propiedades de solvatación y puntos de fusión que pueden ser modificados al combinar diferentes pares de cationes y aniones. • No son volátiles abriendo así la posibilidad de utilizarlos en sistemas de alto vacío. • Tienden a solvatar un gran número de sustancias orgánicas e inorgánicas y esto permite llevar a cabo la combinación de reactivos en una sola fase. • Son compuestos polares no acuosos. • Se utilizan como catalizadores activos para algunos tipos de reacciones. La gran mayoría de los líquidos iónicos poseen dos componentes a saber, catión y anión los cuales pueden combinarse de forma tal que pueden ser diseñados para satisfacer una necesidad en particular como la disolución de reactivos en una reacción o quizás para la extracción de un tipo de molécula específica en una Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 solución. De forma genérica en un líquido iónico uno de los iones es voluminoso y otro de ellos tiene baja simetría, esto tiende a reducir la energía del enrejado cristalino del compuesto y disminuye el punto de fusión de los mismos. En la figura 3 se muestran los cationes más comúnmente utilizados. Preparación de nanoestructuras usando líquido iónico asistido con ultrasonido La técnica de irradiación de ultrasonido asistida con líquido iónico es relativamente nueva para preparar nanomateriales. En la tabla II se presenta un resumen de los trabajos encontrados en literatura en función de la nanoestructura encontrada. El tipo de líquidos iónicos empleados se encuentra descrito en la tabla III. Como se puede observar, es posible preparar varios tipos de nanoestructuras de compuestos metálicos, óxidos y sulfuros inorgánicos. Se ha puesto especial énfasis en el ZnO y ZnS por sus propiedades fotocatalíticas y semiconductoras respectivamente. Por otro lado, sulfuros semiconductores como el PbS, el CuS y CdS y la clásica anatasa han sido preparados utilizando esta ruta. En particular, nuestro grupo ha trabajado en la preparación de nanoestructuras de estibnita mediante la irradiación de ultrasonido de baja potencia bajo la asistencia de los líquidos iónicos basados en imidazolio y el grupo de los fosfonios. En la figura 4 se muestra el análisis de microscopía electrónica de barrido realizado a las muestras de Sb2S3 obtenidas por tratamiento ultrasónico utilizando [BMIm]BF4 con y sin tratamiento térmico (condiciones descritas en 36 y tabla IV). En las figuras 4a-e encontramos morfologías aproximadamente esféricas y distribuidas uniformemente. El tamaño promedio de las estructuras obtenidas fue de 80 nm. En algunas regiones de Fig. 3. Cationes más comúnmente utilizados en líquidos iónicos. 11 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. ambas muestras es posible encontrar la formación de pequeños aglomerados de aproximadamente 1μm de diámetro, lo que lleva a pensar que estas son termodinámicamente estables dentro de las condiciones de reacción. Tabla II. Nanoestructuras preparadas con ultrasonido bajo la asistencia de líquidos iónicos. Líquido iónico Nanoestructura Compuesto [MacopMIm]MPS [EMIm]Et2SO4 Partículas [HypMIm]TFSI Ref Au [17] SnO2 [18] PbS [19] CuS [20] CdS [21] np-TiO2 [22] [BMIm]TFSI Fe [23] [BMIm]PF6 Ag [24] ZnS [25] ZnS [27] ZnO [28] ZnO [29] Esferas ZnO [30] [HyeMIm]BF4 Dendritas ZnO [31] [BMIm]Br Alambres Pb(OH)Br [32] CuO [33] ZnO [34] [BMIm]BF4 [EMIm]Et2SO4 Cristales [HMIm]TFSI [HMIm]TFSI [BMIm]Cl [BMIm]PF6 Barras MoO3 ZnO [35] En la figura 4a’ tenemos la formación de aglomeraciones de nanobarras y se observa una distribución uniforme las cuales tienen un diámetro aproximado a 60 nm y varios micrómetros de largo. La difracción de rayos-X muestra señales de la estibnita completamente definida. El incremento en la energía térmica proporcionada al material fue utilizado en crecer en diámetro y el largo de las nanobarras y fortalecer el grado de cristalinidad. Tabla III. Relación de líquidos iónicos utilizados en la síntesis de nanoestructuras. Catión Anión Acrónimo Nombre Acrónimo Nombre BMIm 1-n-butil-3metilimidazolio TFSI Bis(trifluorometils ulfonil)imida EMIm 1-etil-3-metilImidazolio EtSO4 Etil sulfato HMIm 1-hexil-bis-3metil-Imidazolio BF4 Tetrafluoroborato HyeMIm 1-(2-hidroxietil)3-metilImidazolium PF6 Hexafluorofosfato 1-(3HypMIm hidroxipropil)-3metil-Imidazolio MPS 3-Mercapto-1propanosulfonato 3-[2,3-bis[(2mercaptoacetil)MacopMIm oxi]propil]-1metil-Imidazolio Cl Cloruro Br bromuro Fig. 4. Análisis de microscopía de barrido electrónico de Sb2S3 sintetizado utilizando un líquido iónico basado en imidazolio. 12 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. Tabla IV. Condiciones experimentales de síntesis de Sb2S3 utilizando [BMIM][BF4] bajo radiación ultrasónica (70 W, 42 KHz por 24 h) a 60°C. Tratamiento Volumen Volumen de Térmico Muestra Etanol Líquido Iónico Temperatura Absoluto (mL) [BMIM][BF4] (mL) (°C), 1h a 9 1 No b 8 2 No c 7 3 No d 6 4 No e 5 5 No a’ 6 4 155 b’ 6 4 200 Tabla V. Condiciones Experimentales de Síntesis de Sb2S3 utilizando [iB3HP][BF4] bajo radiación ultrasónica. Muestra Volumen de etanol absoluto (mL) Volumen del LI (mL) [iBH3P][BF4] M 10 0 60 N 10 0 120 P 6 4 120 Temperatura (°C) En la figura 4b’, observamos cambios en la morfología en donde en algunas regiones tenemos la formación de nanoestructuras de forma cilíndrica con un diámetro aproximado entre 70-80 nm y varios micrómetros de largo. Los aglomerados en algunos casos llegan a tener dimensiones mayores de 1μm. La difracción de rayos-X muestra de nuevo la fase de la estibnita. El cambio logrado en la morfología y grado de cristalinidad se debió principalmente al cambio en la energía suministrada al material debido al tratamiento térmico a 200 °C. En la figura 4 se muestra un análisis EDS representativo en donde solamente se aprecian señales correspondientes al Sb y S y se observa además una proporción esperada de 2 a 3 entre la señal del antimonio con respecto a la del azufre. Así mismo se realizó la síntesis de nanocristales de Sb2S3 utilizando ultrasonido asistido pero ahora con un líquido iónico basado en fosfonios alifáticos (en contraste con el clásico imidazolio). El líquido seleccionado fue el tetrafluoroborato de iso-butiltri-hexil fosfonio (iB3HP]BF4)37 y las condiciones de síntesis de nanoestructuras se describen en la tabla V. Fig. 5. Análisis de microscopía de barrido electrónico de Sb2S3 sintetizado utilizando un líquido iónico basado en fosfonio. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 13 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. En la figura 5 se muestran los estudios de microscopía electrónica de barrido a las muestras sintetizadas. Para las muestras M y N se tienen morfologías similares las cuales son esféricas y tienden a ser irregulares en algunas regiones, en ambas se observa también la formación de algunos aglomerados, lo cual indica una estabilidad termodinámica mayor entre más pequeño sea el mismo. El diámetro de las esferas es de aproximadamente 100-200 nm. Para las condiciones experimentales de la muestra P se observa un cambio bastante significativo en la morfología donde ahora se tienen nanoestructuras unidimensionales de Sb2S3 en forma de barras. Las nanobarras tienen un diámetro aproximado de 60 nm y varios micrómetros de largo. En algunas de las regiones de la figura 5 se observa la formación de paquetes de lo cual se puede inferir estabilidad de estas estructuras aún a una temperatura (120 °C) bastante moderada. Por DRX (figura 5) tenemos que para las morfologías esféricas o irregulares se observa un grado de cristalinidad bastante reducido tendiendo a ser un material no cristalino. Sin embargo, para el caso del experimento P donde se tienen nanobarras, el grado cristalino es bastante alto, es decir el líquido iónico [iBH3P][BF4] acompañado de un moderado tratamiento térmico constituye el elemento primordial para alcanzar un grado cristalino alto y la formación de nanoestructuras unidimensionales. CONCLUSIONES La química verde provee los fundamentos básicos para evitar la contaminación innecesaria y el uso eficiente de la energía. En este trabajo se ha presentado la importancia del proceso de síntesis de nanoestructuras al utilizar solventes de bajo impacto ambiental. Se ha hecho uso de imidazolios para realizar la síntesis de nanoestructuras de Sb2S3 que tienen un alto potencial de aplicación en celdas solares. Así mismo, la adición del liquido iónico basado en fosfonio en la síntesis de la estibnita constituye una ruta favorable para la formación de nanoestructuras unidimensionales, la cual ayudó a obtener un alto grado de cristalinidad del Sb2S3 aun con un tratamiento térmico a una temperatura de solamente 120 °C. El líquido iónico [iBH3P][BF4] constituye pre-plantillas para la formación de nanoestructuras unidimensionales. 14 AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento a los proyectos SEP-CONACyT #151587 y SENERCONACyT 150111. Además se reconoce el apoyo de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México, bajo el programa PAICyT. REFERENCIAS 1. http://www.epa.gov/greenchemistry/pubs/epa_ gc.html. (7 de diciembre del 2011). 2. Anastas, P.T.; Warner, J.C. “Green Chemistry: Theory & Practice”, Oxford University Press, Oxford, UK 1998. 3. Atkins P.W. Physical Chemistry, Oxford, University Press, Oxford, UK 1998. 4. T.-D. Nguyen-Phan, H.-D. Pham, S. Kim, E.-S. Oh, E.J. 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ABSTRACT The 2012 has been declared the “International Year of sustainable energy for all” by the United Nations, and under this context the development of the civilizations in relation to the use of energy is reviewed and the implications and importance of resolution 65/151 of the General Assembly of the UN are described. KEYWORDS Energy, sustainable, civilization, resolution 65/151, the UN. La historia de la humanidad se ha caracterizado por la creación de una estructura social y tecnológica cada vez más compleja obligada a la energía libre disponible del entorno. El incremento en el flujo energético permite a su vez el crecimiento de los asentamientos humanos. A medida que aumenta la población, la vida social se hace más densa y variada, lo cual incrementa la comunicación y promueve el avance de la cultura. Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, el Homo Sapiens vivió una existencia de cazador-recolector y se dedicó a colectar la energía almacenada en las plantas y los animales en estado natural para su uso básico como alimento. Más adelante cuando realizó la transición de cazadores-recolectores a granjeros-ganaderos, con lo que los seres humanos estuvieron en condiciones de generar/utilizar más energía de su entorno. La domesticación de animales y plantas, le aseguraron un suministro constante y fiable de energía, y sobre todo, excedentes energéticos. El cultivo de plantas con sistemas de irrigación incrementó notablemente la producción por unidad de energía humana o trabajo realizado. Los excedentes Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 17 �Las civilizaciones y el uso de la energía / Benjamín Limón Rodríguez agrarios también liberaron a algunos individuos del trabajo en el campo y es cuando inician las jerarquías sociales y la diferenciación de las tareas, lentamente fueron apareciendo las distintas clases sociales con estructuras institucionales cada vez más complejas. Los excedentes alimentarios constituían una reserva energética que permitía mantener a una población cada vez más grande. La cosecha de los cereales hace aproximadamente 10,000 años en el norte de África y Oriente Medio, marcó un punto de inflexión para la sociedad humana. Se puede decir que los alimentos son una forma de energía biológica que utiliza nuestro cuerpo para subsistir, pero el hambre energética moderna no se refiere a éste, se refiere a la energía que se utiliza para calentar, para cocinar, para iluminar y para sostener el desarrollo industrial y de comodidad de la actualidad. El primer lugar en el que se almacenaba esta energía era en las plantas, y el fuego producido a partir de la leña puede ser la primera forma de extraer la energía de la biomasa, y posteriormente se utilizan combustibles fósiles, que es otra manera en que la naturaleza almacena la energía. El aprovechamiento de esta energía en máquinas sirvió como un sustituto mecánico de los esclavos. En Human Origins, (MacCurdy, 1924)1 describe la experiencia humana como un viaje evolutivo dirigido hacia el aprovechamiento de una cantidad cada vez mayor de la energía disponible. Según MacCurdy, “el grado de civilización de cada época, pueblo o grupo de pueblos, se mide por su capacidad de utilizar la energía para promover el progreso o satisfacer las necesidades de la humanidad”. Algunos antropólogos están de acuerdo con esta idea, White2 por ejemplo, utiliza la energía como criterio para medir el éxito de las culturas humanas. White sostiene que el nivel de desarrollo de una cultura está directamente relacionado con la cantidad de energía consumida per-cápita. La función misma de la cultura, en opinión de White y otros antropólogos, es “aprovechar y controlar la energía para ponerla al servicio del hombre”. Según MacCurdy y White, lo que llamamos el progreso humano, consiste en buena medida en el ingenio y la habilidad de las personas a la hora de utilizar las formas simbólicas, las herramientas y las estructuras 18 institucionales para capturar y utilizar una cantidad cada vez mayor de energía, para extender con ello su poder y aumentar su bienestar. No se puede comprender adecuadamente la historia de las civilizaciones humanas –desde su auge hasta su caída– sin apreciar la importancia de estos suministros de energía. Según (Odum 1980)3, el punto de partida de cualquier sociedad histórica es la disponibilidad de excedentes energéticos. Toda creatividad humana del mundo fracasará inevitablemente en su intento de mejorar el bienestar de la especie si no se dispone de reservas energéticas suficientes para su aprovechamiento y explotación. Sería igual de convincente decir que el aumento del flujo de energía en una sociedad, se corresponde también con un mayor grado de coerción y sumisión de los pueblos, así como una mayor degradación ambiental, de esto hay constancia a través de la historia, que el progreso de grandes civilizaciones se debió a los excedentes energéticos, los cuales obtenían en las cercanías de sus comunidades y cuando la cantidad de energía en sus proximidades disminuía, emprendían conquistas de nuevos territorios como fue el caso de los romanos en la antigüedad y en las civilizaciones modernas que se han caracterizado por su sentido bélico, como ha sido el caso de las guerras de fines del siglo pasado y principios del presente siglo. La falta de energéticos también originó que se perdieran grandes batallas como la fallida invasión a territorio soviético por las tropas alemanas que sufrieron un crudo invierno y la falta de energéticos para la movilización de sus tropas. El petróleo, recurso no renovable, en pocos años no podrá ser extraído con las tecnologías actuales en las reservas probadas, seguramente se descubrirán Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Las civilizaciones y el uso de la energía / Benjamín Limón Rodríguez nuevas reservas que demandarán nuevas tecnologías para su explotación, estas últimas sólo al alcance de los países desarrollados, incrementándose la desigualdad social debido a la inequidad en la distribución y en el costo de estos energéticos. Ante la preocupación de los líderes del mundo, la Organización de las Naciones Unidas ha decidido que el año 2012 se denomine “Año Internacional de la Energía Sostenible para Todos”, muy buena intención, pero sujeta a políticas internacionales sobre energéticos que son definidas por los países desarrollados, los cuales se distinguen por su alto consumo de energía. La asamblea general de Naciones Unidas en su sexagésimo quinto período de sesiones, al respecto emitió, con fecha del 20 de diciembre de 2010, la resolución 65/151, fundamentada en reuniones del consejo relativas a la Declaración del Milenio, preocupada porque en los países en desarrollo: más de 3,000 millones de personas dependen de la biomasa para cocinar y para la calefacción (aproximadamente el 45% de la población mundial), 1,500 millones de personas carecen de electricidad y millones de pobres no pueden pagar estos servicios energéticos modernos, incluso si están disponibles. Reconoce que “el acceso a estos servicios energéticos modernos... es esencial para lograr... los objetivos de Desarrollo del Milenio y el desarrollo sostenible, lo cual ayudaría a reducir la pobreza y a mejor las condiciones y el nivel de vida de la mayoría de la población mundial”. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 En esta resolución se pone de relieve “la importancia de invertir en el acceso a opciones de tecnología menos contaminante y en un futuro con capacidad de adaptación al cambio climático para todos. Así como la necesidad de mejorar el acceso a los recursos y servicios energéticos para el desarrollo sostenible que sean fiables, de costo razonable, económicamente viables, socialmente aceptables y ecológicamente racionales...”. Otro de los puntos de dicha resolución, se transcribe íntegramente por la trascendencia del mismo. “Alienta a todos los estados miembros, al sistema de Naciones Unidas y a todos los demás agentes a que aprovechen el año internacional para concienciar sobre la importancia de abordar los problemas energéticos en particular los servicios energéticos modernos para todos, el acceso a servicios de energía asequibles, la eficiencia energética y la sostenibilidad de las fuentes y del uso de la energía, con el fin de alcanzar los objetivos de desarrollo convenidos internacionalmente, incluidos los Objetivos de Desarrollo del Milenio, y asegurar el desarrollo sostenible y la protección del clima mundial, y para promover medidas a nivel local, regional e internacional”. Sin duda que las declaraciones de la ONU son alentadoras, sin embargo están sujetas a situaciones económicas y políticas de los países miembros de esta organización, pero realmente las resoluciones de organismos internacionales como la ONU, las Convenciones sobre Cambio Climático, la Declaración del Milenio ¿han logrado la equidad?, ¿ha disminuido la pobreza? 19 �Las civilizaciones y el uso de la energía / Benjamín Limón Rodríguez Las grandes economías del mundo: China, Rusia, Estados Unidos y otras naciones ricas, que son las responsables de la generación de casi un 80% de generación de gases de efecto invernadero, generalmente evitan asumir compromisos para reducir las emisiones de dichos gases, ya que consideran que esto afecta sus economías y el bienestar de sus comunidades. El tema de los energéticos requiere de un análisis holístico debido a sus relaciones directas con los temas económicos, políticos, sociales, ambientales y tecnológicos y no se pueden desligar de las relaciones internacionales y del futuro del mundo. La resolución de la ONU, alienta a los estados miembros y a otros agentes a que aprovechen el año internacional para hacer conciencia sobre la importancia del problema y abordar los problemas energéticos en particular. ¿Pero qué podemos y debemos hacer en nuestro entorno y específicamente en los campus de las universidades? Creo que las únicas soluciones eficaces y con sentido para esta crisis, suponen profundos cambios en nuestra manera de pensar, requerimos un cambio de actitud y que emprendamos programas específicos sobre la cultura del uso eficiente de la energía, requerimos de una nueva visión, de la práctica de los valores y de una nueva cultura con responsabilidad social y respeto al medio ambiente. Participemos activamente; no sólo debemos estar preocupados, sino que también debemos ocuparnos de traducir nuestros conocimientos en acciones concretas al servicio de la sociedad, desarrollando tecnologías que permitan utilizar sustentablemente las fuentes de energía disponibles y volverlas accesibles para todos. REFERENCIAS 1. G. G. MacCurdy, Human Origins:A Manual of Prehistory, Nueva York, D. Appleton and Company, 1924 2. Odum, Howard.T. Ambiente Energía y Sociedad, Barcelona, Blume, 1980 3. Withe, Leslie A., La Ciencia de la Cultura: un estudio sobre el hombre y la civilización, Barcelona Paidós, 1982. 4. Organización de las Naciones Unidas, Asamblea General. Resolución 65/151. Año internacional de la energía sostenible para todos. 69 Sesión Plenaria, 20 de diciembre de 2010. 20 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo Pablo A. Ruiz Flores, Selene Sepúlveda Guzmán, Virgilio A. González González Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo de Tecnologías pabloruiz@kemet.com, selene.sepulvedagz@uanl.edu.mx virgonzal@gmail.com RESUMEN Los nanocompuestos de metales con halloysita, son materiales potencialmente útiles en diversos campos de la medicina y la biología, por lo que son de gran interés actual en investigación y desarrollo. En este artículo se reporta la síntesis en el interior de los nanotubos naturales de halloysita de nanopartículas de oro por reducción con borohidruro de sodio. Para lograrlo se modificó previamente la superficie interna de la halloysita con el compuesto (3-aminopropil)-trietoxisilano. La modificación de la halloysita se corroboró mediante espectroscopía de infrarrojo y se determinó el efecto de esta modificación en la morfología del material compuesto cerámico – metálico resultante mediante microscopía electrónica. PALABRAS CLAVE Nanopartículas de oro, halloysita, funcionalización. ABSTRACT The metal/halloysite composites have potential applications in medicine and biology then they are of great actual interest in research and development. In this article a composite of gold nanoparticles obtained by reduction with sodium borohydrire into the natural nanotubes of halloysite are reported. To synthetize the composite, the internal surface was previously modified with (3-aminopropyl)-trietoxy-silane. The chemical modification of halloysite was corroborated by infrared spectroscopy and the effect of this modification on the morphology of the ceramic – metallic nanocomposite, was analyzed by electron microscopy. KEYWORDS Gold nanoparticles, halloysite, functionalization INTRODUCCION A partir del conocimiento generado en el área de la síntesis de nuevos materiales, se ha establecido que las propiedades físicas y químicas de estos se ven modificadas cuando la escala se reduce a dimensiones nanométricas.1 De ahí el interés por sintetizar y caracterizar nanomateriales, no obstante el abundante trabajo de investigación sobre el tema, aún hay mucho campo de investigación Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 21 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo / Pablo A. Ruiz Flores, et al. en cuanto al desarrollo de métodos de síntesis más eficientes. Al respecto, el estudio de nanopartículas metálicas, en particular las nanopartículas de oro (npAu), es un área de interés actual debido a su aplicación hoy en día en áreas como: catálisis, electrónica, biología y medicina.2 El encapsulamiento de las nanopartículas de oro en halloysita con las aplicaciones potenciales expresadas en el párrafo anterior, se ha logrado mediante un método de re-disolución/re-precipitación en condiciones supercríticas con CO2,2 en este documento se reporta la formación directa de las nanopartículas de oro en la superficie interna de los nanotubos de halloysita. Adicionalmente, cuando las npAu son dispersadas en soluciones acuosas, estas presentan una elevada actividad gracias a la alta área superficial que poseen. No obstante, construir estructuras funcionales a partir de nanopartículas es un reto, esto debido a la dificultad de manipular materia a escala nanométrica. Al respecto, variadas alternativas se han buscado, desde el auto-ensamblaje de partículas hasta el uso de soportes nano-estructurados.3 En el contexto de lo expresado en los párrafos anteriores, es interesante saber que: materiales como los nanotubos de carbono y algunas arcillas, muestran de forma natural estructuras tubulares de tamaño nanométrico, las cuales pueden ser aprovechadas como soportes para el depósito y/o síntesis de algún nano-material. Este es el caso de las halloysitas que es un filosilicato de composición química semejante a la caolinita (Al2O3▪2SiO2▪4H2O), y que puede formar nanotubos (figura 1) con un radio de 15-30 nm y una longitud de entre 0.1 a 10 μm. En esta Fig. 1. Esquema de la estructura química de los nanotubos de un mineral hipotético de halloysita. 22 configuración tubular, la superficie externa de la halloysita está compuesta por una capa de silicato con aniones que presentan un pH ≥ 2, mientras que la capa interna se compone de una capa de alúmina.4 Esta morfología ha llevado a la propuesta de aplicación de la halloysita como soporte para nanorellenos en la liberación controlada de agentes activos y en la elaboración de nanocompósitos con nanoestructuras como la representada en la figura 2, 5,6 habiéndose encapsulado aditivos para plásticos y fármacos así como elaborado nanoestructuras para la conducción y almacenamiento de energía.5-7 Otra aplicación recientemente reportada es el uso de halloysitas como soportes activos. 8,9 Hasta el momento se ha documentado la síntesis de nanopartículas de metales como paladio, 10 níquel11 y oro.12 En el caso de las nanopartículas de paladio, la síntesis se realiza sobre la halloysita usando metanol como solvente y agente reductor. A diferencia del paladio, el níquel es obtenido en forma de nanopartículas mediante un proceso de electrodeposición, usando metanol como solvente y sulfamato de níquel como electrolito; en este caso, la formación de nanopartículas es posible únicamente a través de la activación superficial de la halloysita. No obstante la investigación realizada en la preparación de nanopartículas de paladio y níquel, usando halloysita como soporte activo, el control en el tamaño de partícula obtenido sigue siendo un reto.10,11 Fig. 2. Esquema de posibles materiales nanoestructurados de un metal (esferas) en los nanotubos naturales de halloysita. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo / Pablo A. Ruiz Flores, et al. La síntesis de nanopartículas de oro usando soportes activos ha sido reportada ampliamente para el caso de nanotubos de carbono,7 mientras que para el caso de halloysitas, se ha reportado la obtención de npAu mediante la reducción de complejos metálicos, como HAuCl4 en soluciones diluidas, empleando agentes reductores como citrato de sodio, borohidruro de sodio, ácido tánico, ácido ascórbico, y otros.12,13 Nuestra investigación se centró en la síntesis de npAu sobre y dentro de nanotubos de halloysita que actúan como soporte activo, el precursor fue HAuCl4 y como agente reductor se utilizó borohidruro de sodio. Para promover la afinidad electrostática entre las paredes internas de la halloysita y las npAu, se funcionalizaron selectivamente dichas paredes usando un organosilano bifuncional, el (3-aminopropil)-trietoxi-silano, el cual está reportado14,15 que actúa como agente de acoplamiento en otros casos. Es de esperarse que el grupo amino interaccione con el oro y el grupo silano con la alúmina de la halloysita, esto es en la parte tubular interna de los nanotubos (figura 3). DESARROLLO EXPERIMENTAL Todos los materiales y reactivos se obtuvieron de Sigma-Aldrich, utilizándose tal como llegaron. La funcionalización de la halloysita se realizó preparando una solución 1.5 milimolar de (3aminopropil)-trietoxi-silano en 10 ml de alcohol etílico, una vez disuelto se adicionaban 0.2 g de halloysita, previamente secada a 60°C por una hora. La dispersión se dejaba reaccionar durante 7 días y posteriormente se lavaba repetidas veces con agua destilada, para posteriormente secarla durante 30 min en un horno a 150 grados centígrados. El proceso para la síntesis de npAu en halloysita fue el siguiente: 0.0125 g de halloysita funcionalizada se adicionaba a una solución acuosa de HAuCl4 0.5 milimolar, posteriormente, se adicionaba borohidruro de sodio en una proporción molar de menos de 1:10 entre la concentración de oro y del borohidruro, todo el proceso bajo agitación constante. Después de 10 minutos de agitación, se sedimentaban por centrifugación a 1,000 RPMs durante 30 min, para posteriormente remover el líquido sobrenadante, y lavar con agua destilada. Se realizaban 3 lavados con agua destilada. Y finalmente las muestras se dejaban suspendidas en 10 ml de agua. Con el fin de determinar la influencia de la funcionalización sobre la morfología resultante, el procedimiento descrito en el párrafo anterior se realizó tanto sobre halloysita sin funcionalizar como funcionalizada. La morfología de las muestras fue analizada por microscopía electrónica de barrido-transmisión (STEM) utilizando un equipo JEOL JSM-7401F y por microscopía electrónica de transmisión (TEM) empleando un microscopio FEI/Titan. Las muestras para el análisis en el TEM se prepararon depositando una gota de la dispersión en una rejilla de grafito y se dejaron secar 12 horas antes de su análisis. La distribución del tamaño de partícula se obtuvo a partir de las imágenes por TEM, mediante Fig. 3. esquema de la estructura química del (3-aminopropil)-trietoxi-silano e interacciones esperadas de acoplamiento alúmina – oro. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 23 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo / Pablo A. Ruiz Flores, et al. el software especializado “Image J”, en el cual la imagen es procesada digitalmente para cuantificar el tamaño de las nanopartículas. La presencia de grupos silanos, resultado del proceso de funcionalización de la halloysita se verificó mediante espectroscopía de infrarrojo con transformadas de Fourier (FTIR), utilizando un equipo Perkin Elmer Paragon 1000 preparando la muestra en pastilla de KBr. DISCUSIÓN DE RESULTADOS La figura 4 muestra la morfología de la halloysita en una imagen STEM, apreciándose tubos de diámetros externos que fluctúan entre 80 y 200 nm, diámetros internos de entre 15 y 50 nm y largos variados de entre de 0.8 a 1.5μm. Fig. 5. Halloysita (a) funcionalizada y (b) nofuncionalizada. Fig. 6. Espectros de infrarrojo de la halloysita (línea roja y la halloysita modificada (línea azul). Tabla I. Asignación de bandas a los espectros de infrarrojo de la halloysita y halloysita modificada. Posición (Cm-1) Fig. 4. Imagen por TEM de los nanotubos de halloysita empleados como plantilla para la síntesis de nanopartículas de oro. La apariencia de la muestra sin funcionalizar es la de un polvo color blanco marfil (figura 5a) que al ser funcionalizada con el silano cambia a color rosado (figura 5b). Los espectros de infrarrojo de las muestras antes y después de la modificación se muestran en la figura 6, en ellos, como se reporta en la tabla I, se aprecian las bandas típicas de la halloysita, tanto los estiramientos O-H en las paredes internas como del agua, así como los estiramientos Al – O – Si y Si – O – Si, mientras que las bandas típicas metilos y metilenos, exclusivas del organosilano, solo se presentan en el espectro de la halloysita modificada, lo que es una evidencia de su modificación exitosa. 24 Asignación Nota 3691, 3620 y 3480 Estiramientos O-H, Ambas muestras incluyendo H2O 2930 Estiramiento C-H en Solo modificada metilos (CH3) 1630 Deformación O-H Ambas muestras del agua 1460 Deformación (tijera) CH2 Solo modificada 1384 Balanceo CH2 Solo modificada 1112, 1088, 1029 Estiramiento Si-O Ambas muestras 940, 912 Deformación O-H Ambas muestras 790, 755, 790 Estiramiento Si-O Ambas muestras 536 Deformación Al-O-Si Ambas muestras 470 Deformación Si-O-Si Ambas muestras La figura 7 muestra la imagen por TEM para la halloysita no-funcionalizada. Pueden apreciarse diversos tamaños de partículas de oro con formas irregulares-ovaladas, las cuales se presentan Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo / Pablo A. Ruiz Flores, et al. caso de la halloysita no funcionalizada, que aunque hay abundancia de nanopartículas con diámetros del orden de los 6 nm, la distribución de tamaños es bastante ancha, habiendo un considerable número de partículas con tamaños en el orden de varias decenas de nanómetros. Fig. 7. Imagen por TEM de la halloysita nofuncionalizada. adheridas a la capa externa de los nanotubos de halloysita. Así mismo, se observan aglomerados que alcanzan hasta 30 nm en su máxima longitud. Por su parte, la halloysita funcionalizada (figura 8) muestra nanopartículas de oro de menor tamaño, con una forma cuasi-esférica y adheridas principalmente a la pared tubular interna de la halloysita. Fig. 9. Análisis de imágenes de STEM analizadas con ImageJ. Fig. 10. Distribución del tamaño de partícula para la halloysita no-funcionalizada. Fig. 8. Imagen por TEM de la halloysita funcionalizada. La figura 9 muestra la etapa del tratamiento de las imágenes mediante el software comercial Image J de donde se determinan los tamaños de partícula, los resultados estadísticos de estos tamaños se presentan en las figuras 10 y 11, apreciándose en el Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 11. Distribución del tamaño de partícula para la halloysita funcionalizada. 25 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo / Pablo A. Ruiz Flores, et al. Por su parte en la halloysita funcionalizada, además de que las npAu están adheridas principalmente a la pared interna de los nanotubos, sus tamaños son más uniformes y la mayor población se encuentra a aproximadamente 4 nm. Estos resultados indican que el proceso de funcionalización tiene una influencia importante, observándose una disminución en el tamaño de partícula, se observa también que el proceso promueve la adhesión de las npAu principalmente en la parte tubular interna de la halloysita, esto seguramente debido a las interacciones de los grupos amino con el oro y las interacciones de los grupos silanos con la parte tubular interna de la halloysita. CONCLUSIONES Se ha demostrado la factibilidad de funcionalizar nanotubos de halloysita con un organosilano bifuncional ((3-aminopropil)-trietoxi-silano) lo cual permite la preparación de nanocompósitos de halloysita/Au con las nanopartículas metálicas de tamaños promedio del orden de 4 nm y distribución estrecha adheridas en las paredes internas de los nanotubos de halloysita. Para proponer estos materiales en aplicaciones en electrónica, catálisis o medicina, es necesario optimizar el proceso y evaluar propiedades específicas para dichas aplicaciones. REFERENCIAS 1. Guozhong Cao. Nanoestructures & Nanomaterials, Synthesis, Properties & Applications. Imperial College Press, London, Edición 2004, Páginas 1-418. ISBN 1-86094-415-9. 2. Marie-Christine Daniel and Didier Astruc, Gold Nanoparticles: Assembly, Supramolecular Chemistry, Quantum-Size-Related Properties, and Applications toward Biology, Catalysis, and Nanotechnology, Chem. Rev., 2004, 104 (1), pp 293–346. 3. Alessandro La Torre, Graham A. Rance, Jaouad El Harfi, Jianing Li, Derek J. Irvine, Paul D. Brown and Andrei N. Khlobystov, Transport and encapsulation of gold nanoparticles in carbon nanotubes. Nanoscale. 2010, 2, 1006-1010. 26 4. E. Joussein, S. Petit, J. Churchman, B. Theng, D. Righi and B. Delvaux, Halloysite clay minerals — A review, Clay Minerals; December 2005; v. 40; no. 4; p. 383-426. 5. Aaron L. Wagner, Sarah Cooper and Michael Riedlinger, Natural nanotubes enhance biodegradable and biocompatible nanocomposite: Nanotubes in halloysite clay may provide increased strength and new capabilities for consumer product, packaging, medical, and other applications. Industrial Biotechnology. September 2005, Vol. 1, No. 3: 190-193. 6. Yuri M. Lvov, Dmitry G. Shchukin, Helmuth Mhwald and Ronald R. Price, Halloysite Clay Nanotubes for Controlled Release of Protective Agents. ACS Nano, 2008, 2 (5), pp 814–820. 7. Sarah J. Antill, Halloysite: A Low-Cost Alternative, Australian Journal of Chemistry 56(7) 723 – 723. 8. S. Barrientos-Ramírez, E.V. Ramos-Fernández, J. Silvestre-Albero, A. Sepúlveda-Escribano, M.M. Pastor-Blas and A. González-Montiel, Use of nanotubes of natural halloysite as catalyst support in the atom transfer radical polymerization of methyl methacrylate. Microporous and Mesoporous Materials Volume 120, Issues 1-2, 1 April 2009, Pages 132-140. 9. Zhen-Yu Cai, Ming-Qiao Zhu, Huan Dai1, Yi Liu, Jian-Xin Mao, Xin-Zhi Chen, Chao-Hong He, Halloysite Nanotubes Supported Gold Catalyst for Cyclohexene Oxidation with Molecular Oxygen. Advances in Chemical Engineering and Science, 2011, 1, 15-19. 10. Fu, Yubin; Zhang, Lide; Zheng, Jiyong. In-Situ Deposition of Pd Nanoparticles on Tubular Halloysite Template for Initiation of Metallization, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Volume 5, Number 4, April 2005 , pp. 558564(7). 11. Yubin Fua and Lide Zhanga, Simultaneous deposition of Ni nanoparticles and wires on a tubular halloysite template: A novel metallized ceramic microstructure. Journal of Solid State Chemistry Volume 178, Issue 11, November 2005, Pages 3595-3600. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo / Pablo A. Ruiz Flores, et al. 12. Jianjin Cao, Xianyong Hu and Dan Jiang, Synthesis of Gold Nanoparticle Using Halloysites. e-Journal of Surface Science and Nanotechnology. Vol. 7 (2009) pp.813-815. 13. Peng Liu, and Mingfei Zhao, Silver nanoparticle supported on halloysite nanotubes catalyzed reduction of 4-nitrophenol (4-NP). Applied Surface Science Volume 255, Issue 7, 15 January 2009, Pages 3989-3993. 14. Chi-Fan Chen, Shien-Der Tzeng, MengHsien Lin, and Shangjr Gwo, Electrostatic Assembly of Gold Colloidal Nanoparticles on Organosilane Monolayers Patterned by Microcontact Electrochemical Conversion, Langmuir (2006), 22, 7819-7824. 15. T. Furukawa, N. K. Eib, K. L. Mittal, and H. R. Anderson Jr., Inelastic electron tunneling spectroscopic study of the silane coupling agents: 1—Aminophenyltrimethoxysilane adsorbed on plasma grown aluminum oxide and effects of high humidity, Surface Interface Anal., 4, 240 (1982). 2 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 27 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost Hugo Rodríguez CortésA, Miguel Francisco EscalanteB, Marco Tulio Mata-JiménezB Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Departamento de Ingeniería Eléctrica hrodriguez@cinvestav.mx B Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-UANL mescalante@ieee.org, marco.matajm@uanl.edu.mx A RESUMEN En este artículo se presenta el desarrollo de un controlador nolineal para un convertidor cd-cd elevador (Boost). El controlador desarrollado no depende de los parámetros del convertidor. El desempeño del esquema propuesto es probado a través de simulaciones numéricas, así como resultados experimentales. PALABRAS CLAVE Convertidor cd-cd, control no lineal, convertidor boost. ABSTRACT In this paper the design of a nonlinear control for a dc-dc boost converter is presented. The proposed controller is independent of converter parameters. Numerical simulations as well as experimental results are presented to verify the performance of the proposed control scheme. KEYWORDS Dc-dc converter, nonlinear control, boost converter. INTRODUCCIÓN Los convertidores estáticos de corriente continua a corriente continua (cdcd) son parte esencial de la mayoría de los sistemas de alimentación de equipo electrónico. Su gran aceptación está sustentada por la eficiencia y flexibilidad que ofrecen para el control y acondicionamiento de la energía eléctrica. A través de ellos se puede obtener una tensión de salida regulada, ya sea mayor o menor a la tensión de entrada. Cuando se requiere de una tensión de alimentación mayor a la tensión disponible (por ejemplo la tensión de una batería o de una celda solar), se recurre a un convertidor estático cd-cd elevador (o Boost por su nombre anglosajón). La regulación de la tensión de salida se obtiene por medio de un esquema de control en lazo cerrado, logrando así una cierta robustez y estabilidad ante variaciones del punto de operación y de los parámetros del convertidor. El uso de controladores lineales, de tipo Proporcional-Integral-Derivativo (PID), es ampliamente usado para este tipo de sistemas. El diseño de estos controladores se basa en modelos de pequeña señal del convertidor. Sin embargo, el modelo de pequeña señal es sensible al punto 28 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. de operación del convertidor. En un convertidor reductor (Buck) la magnitud de la respuesta a la frecuencia depende del ciclo de trabajo, mientras que para un convertidor elevador (Boost), ambos polos y el cero en el semiplano derecho dependen del ciclo de trabajo. Así, los controladores lineales pueden degradar su funcionamiento cuando el convertidor presenta variaciones importantes en su punto de operación. La mejora del desempeño puede lograrse incluyendo controladores adaptativos, en cuyo caso es necesario usar técnicas de estimación para los parámetros requeridos por el controlador. Otra alternativa es el uso de esquemas de control basados en técnicas nolineales o en técnicas conocidas como de inteligencia artificial (controladores difusos, por ejemplo). A través de los primeros es posible considerar un modelo que incorpore la casi totalidad de la dinámica del sistema a regular, logrando así un controlador que es operativo en un rango de operación más amplio. Mientras que en los segundos, no es necesario el conocimiento de un modelo formal del convertidor para la síntesis de una especie de reglas o inferencias heurísticas sobre las cuales se basa el controlador. Lo que requieren estos últimos es un conocimiento preciso del comportamiento del sistema a controlar. El problema de la regulación de la tensión de salida del convertidor Boost ha sido abordada durante muchos años. Además de su importancia práctica, las dinámicas de este convertidor presentan un caso interesante desde el punto de vista teórico. Su interés reside en que se trata de un dispositivo conmutado cuya dinámica promedio es descrita por una ecuación bilineal de segundo orden con respuesta de fase no mínima. Presenta además una entrada de control saturada y una incertidumbre muy marcada en sus parámetros (la resistencia de carga por ejemplo). A la fecha, se han propuesto diferentes técnicas para abordar la regulación de la tensión de salida del convertidor Boost. Estas incluyen controladores lineales de tipo adelanto-atraso (lead-lag),1 técnicas no lineales empleando retroalimentación de estados usando modelos linealizados,2 técnicas de pasividad3 y técnicas de balance de energía.4 Sin embargo, el seguimiento de la trayectoria de una referencia sinusoidal, la cual generará una tensión alterna Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 polarizada, no ha sido abordada y no es claro cómo extender las propuestas anteriores para resolver el problema de seguimiento de trayectoria. En este caso, es claro que el punto de operación será continuamente cambiante, lo cual representa un problema para los controladores tradicionales. El problema de seguimiento de trayectoria de la tensión de salida del convertidor Boost ha sido tratado en la referencia 5 usando control por modos deslizantes y en la referencia 6 usando un controlador proporcionalintegral generalizado. Dado que la tensión de salida es una variable con fase no mínima, ésta tiene que ser controlada indirectamente por la corriente del inductor. Así, el problema a resolver es la generación de una corriente de referencia para el inductor. La solución propuesta en las referencias 5,6 se basa en conceptos de platitud (flatness). Dado que la energía total del convertidor Boost es una salida plana, entonces la tensión de salida, la corriente del inductor y el ciclo de trabajo pueden expresarse en términos de esta salida plana y sus derivadas con respecto al tiempo. Como resultado el problema de seleccionar la referencia adecuada para la corriente del inductor se resuelve seleccionando una trayectoria para la salida plana para una cierta trayectoria de la tensión de salida. La solución no es trivial, sino un algoritmo que pre-calcula la trayectoria de la salida plana para una cierta trayectoria de la tensión de salida. En este artículo se propone el diseño de una estrategia de control para resolver el problema de seguimiento de una trayectoria en la tensión de salida del convertidor Boost. Para ello se propone un controlador linealizado de alta ganancia con retroalimentación de estados entrada-salida, y un controlador indirecto para la dinámica cero del convertidor Boost. Este tipo de estrategia ha sido aplicada para el control de un convertidor de tensión trifásico de tipo ca-cd.7 El artículo tiene la siguiente organización. En la siguiente sección se presentan las ecuaciones diferenciales que describen la dinámica del convertidor Boost. Luego se aborda el diseño del controlador, y posteriormente se comprueba la eficacia del controlador a través de simulaciones numéricas y resultados experimentales. Finalmente, se presentan las conclusiones del trabajo. 29 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. MODELADO DINÁMICO DEL CONVERTIDOR BOOST El modelo dinámico promediado del convertidor Boost mostrado en la figura 1 está dado por las siguientes ecuaciones: L d iL dt = −uvc + E (1) d 1 vC = uiL − vC dt R donde iL es la corriente a través del inductor, vc es la tensión del condensador. L y C representan los valores de la inductancia y de la capacitancia, respectivamente. Finalmente, R es la resistencia de carga, E es el valor de la fuente de tensión de entrada y u es una señal de control continua la cual representa el ciclo de trabajo de la señal de control modulada en ancho de pulso (PWM) que se utiliza para controlar el interruptor SW. Note que en este caso u representa el complemento de la señal de control aplicada al interruptor. Fig. 1. Convertidor Boost. Por consideraciones prácticas el vector de estado [iL vc]T está restringido al conjunto S = R >0 × R >0 por ello, en el resto del artículo se considerará de manera implícita que: [iL vL ]T ∈ S El objetivo de control es el seguimiento de una tensión de salida deseada, vd(t), en las terminales de la carga. Se demostrará que este problema puede resolverse mediante una linealización por retroalimentación y un control indirecto de la dinámica cero. DISEÑO DEL CONTROLADOR Esta sección inicia con una revisión de algunas estrategias de control existentes para la regulación de la tensión de salida del convertidor Boost. Se hace 30 hincapié en los obstáculos que enfrentan para resolver el problema de seguimiento de trayectoria. Linealización por retroalimentación de estados entrada-salida Se ha demostrado que la dinámica del convertidor Boost descrito por la ecuación (1) con salida y = iL tiene una dinámica cero estable.8 Dada esta propiedad, la tensión de salida puede ser controlada indirectamente a través de la regulación de la corriente del inductor. Para que esta estrategia sea efectiva la corriente del inductor debe llevarse a un valor determinado por la tensión de salida deseada. En el caso de una salida de tensión constante, vC* = Vd , existe una correspondencia unívoca entre la tensión de referencia, vC* , y la corriente de referencia, iL* . En este caso, la corriente de referencia del inductor está determinada por: V2 iL* = d RE Siguiendo una estrategia de control indirecta, la corriente del inductor se lleva a iL* . Definiendo el error de la corriente como: y� = iL − iL* (2) y tomando su derivada con respecto al tiempo se obtiene: 1 y�� = (−uvC + E ) L Así, definiendo la señal de control como: E + kLy� (3) u= vC se tiene que la dinámica de lazo cerrado está dada por las siguientes ecuaciones diferenciales: − ky� y�� = (4) s�� = −2 s + (E + kLiL* )y� RC Con 1 s� = s − s * ,s = CvC2 2 1 s * = CVd2 y . 2 Aplicando el teorema 4.7 de la referencia 9 se deduce que la dinámica de lazo cerrado de la ecuación (4) es globalmente estable. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. Retroalimentación pasiva de la salida con dinámica exacta del error de seguimiento Esta metodología de control fue introducida en,10 la cual se deriva de una formulación particular del control basado en pasividad. En ella se explota la estructura de manejo de la energía. T Tomando en cuenta que si se define e = [ei ev ] con ei = iL − iL* , e = vC − vC* y definiendo eu = u − u * , la dinámica del convertidor Boost (1) en coordenadas del error se puede escribir como: Ae� = [J (u ) − D ]e + Beu (5) con ⎛L 0⎞ ⎛ 0 −u ⎞ A=⎜ ⎟ J (u ) = ⎜ ⎟ ⎝0 C⎠ ⎝u 0 ⎠ ⎛0 0 ⎞ ⎛ −v* ⎞ ⎟ D=⎜ B = ⎜ *C ⎟ 1 ⎜⎜ 0 ⎟⎟ ⎝ iL ⎠ L⎠ ⎝ Siguiendo una estrategia de control por retroalimentación pasiva de la salida con dinámica exacta de seguimiento del error,10 se tiene que la señal de control: u = u * − k (−vC* ei + iL* ev ) (6) logra una estabilidad globalmente asintótica de la dinámica del error (5). Para verificar esto, se considera la función de Lyapunov V = eT Ae . La derivada con respecto al tiempo de la función de Lyapunov es: ⎛ (vC* ) 2 −vC* iL* ⎞ * T * ⎜ ⎟ V� = −e D e, D = k ⎜⎜ −v* i* 1 + (i* ) 2 ⎟⎟ C L L Rk ⎝ ⎠ será definida positiva siempre que: k (v k (vC* ) 2 ) > 0, * 2 C >0 (7) R En (5)-(6) se considera que existen trayectorias suaves y acotadas de iL* y vC* para las cuales existe una señal de entrada en lazo abierto u * , de tal forma que todas las trayectorias que inician en iL (0) = iL* (0), vC (0) = vC* (0) , presentan un error de seguimiento, e, idéntico e igual a cero para todo t ≥ 0 . En particular las señales de referencia iL* , y vC* se obtienen de: d L iL* = −u *vC* + E dt (8) d C vC* dt 1 = u i − vC* R * * L Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Suponiendo que la dinámica del convertidor Boost representa un sistema sub-actuado, la dinámica deseada (8) es equivalente a las ecuaciones siguientes: d d ⎞ ⎛ − R ⎜ LvC* iL* − CiL* C vC* ⎟ − (RE + iL* )vC* dt dt ⎠ ⎝ u* = ( R (vC* ) + (iL* ) 2 2 ) 1 * 2 (9) (vC ) R d d b = CvC* vC* + LiL* iL* con dt dt . Note que para una salida deseada de tensión constante vC* = Vd las ecuaciones (9) dan: V2 E u * = , iL* = d Vd RE b = EiL* − Interconexión y asignación de amortiguamiento Esta técnica de control se basa en las propiedades de pasividad de los convertidores estáticos. El control se diseña modificando la estructura de interconexión del sistema modelada por J(u) y la estructura de amortiguamiento modelada por R. Una estrategia de control no lineal siguiendo la metodología de interconexión y asignación de amortiguamiento está dada por: a E ⎛v ⎞ u= ⎜ C ⎟ (10) Vd ⎝ Vd ⎠ con 0 < a < 1 . Como se demuestra en la referencia 4 esta ley de control robusta, con respecto a la carga, estabiliza la salida de tensión. Note que contrario al enfoque de control indirecto el controlador (10) controla directamente la salida de tensión. Hasta este punto, se han revisado tres controladores para la tensión de salida del convertidor Boost. Dos de ellas indirectos y uno directo. Estos presentan algunas características interesantes • En la dinámica de lazo cerrado (4) la tasa de convergencia de σ está determinada por las constantes de tiempo inherentes del sistema y no es fácil modificar esta característica. En el caso de querer dar seguimiento a una tensión de salida variante en el tiempo, vd(t), no está claro como determinar la corriente de referencia del inductor, iL* . 31 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. • Para la dinámica en lazo cerrado, ecuaciones (5) y (6), los parámetros del sistema están igualmente relacionados con la tasa de convergencia. Esto se da por la dependencia de R de los menores de la matriz D* (7). Con respecto al problema de seguimiento de una referencia variante en el tiempo vd(t), la corriente deseada en el inductor se obtiene de la segunda ecuación de (9), esto es: d 1 LiL* iL* = EiL* − Vd2 (t ) − CVd (t )V�d (t ) dt R Una solución al problema de fijar iL* para una salida de tensión variante en el tiempo vd(t) fue propuesta en la referencia 6 empleando el concepto de sistemas planos diferenciables. En este caso, la salida plana del convertidor Boost es la energía total:11 1 1 2 2 H = C (vC ) + L (iL ) 2 2 así, los estados del convertidor Boost se pueden expresar en términos de la energía H y potencia H totales de la siguiente forma: 2 iL = − RCE ⎛ RCE ⎞ 1 � + ⎜ ⎟ + (RCH + 2 H ) 2L ⎝ 2L ⎠ L vC = R (EiL − H� ) De las relaciones anteriores es evidente que por medio del concepto de salida plana el problema de generación de trayectoria para los estados del convertidor Boost se transforma en un problema de generación de trayectoria para la energía y la potencia totales. Desafortunadamente, el problema de la generación de la nueva trayectoria no es fácil de resolver. En la referencia 5 se usó un método de solución iterativo para resolver de manera aproximada el conjunto de ecuaciones: 2 2 1 1 H * = C (vC* ) + L (iL* ) 2 2 2 1 H * = EiL* − (vC* ) R para un valor dado de vC* . Este método pre-calcula fuera de línea la corriente deseada del inductor. En la referencia 5 este enfoque es combinado con un controlador indirecto basado en modos deslizantes para resolver el problema de seguimiento de trayectoria de la salida de tensión del convertidor Boost. Los resultados obtenidos son aceptables. • En el caso de un controlador basado en interconexión y asignación de amortiguamiento 32 (10) el obstáculo principal para abordar el problema de seguimiento de trayectoria es la ganancia limitada del controlador. Este hecho provoca que al sistema en lazo cerrado se le dificulte responder a cambios rápidos en la referencia de la tensión de salida. Controlador propuesto En esta parte se propone una solución alternativa para el problema de seguimiento de una referencia de tensión variante en el tiempo, vd(t), a la salida del convertidor Boost. Se muestra que es posible generar la referencia de corriente del inductor directamente de la salida de tensión deseada. Para ello, se considera un error de la corriente del inductor dado por la ecuación (2). Considerando que iL* es, por el momento, una función desconocida y variante en el tiempo, se tiene que: 1 d y�� = (−uvC + E ) − iL* L dt definiendo la señal de control u como en la ecuación (3) se tiene: d y�� = − ky� − iL* dt (11) 2 s�� = (E + kLy� )(y� + iL* )− (s� +s )−s� * RC Una observación importante es que iL* en (11) no está aún definida. Este hecho sugiere que la estrategia de control considere a iL* como la entrada de control para la dinámica de σ. Si consideramos 1 μ= k la primera parte de (11) puede ser reescrita como: ⎛ di* ⎞ μy�� = − y� − μ ⎜ L ⎟ ⎝ dt ⎠ di* al escoger k suficientemente grande el efecto de L dt es disminuido y tenemos y� → 0 Podemos reescribir la segunda parte de (11) como: dv 2 σ�� = CvC C = EiL* + φy� − σ� + σ* )− σ� * ( dt RC donde: φ = kLiL* + E + kLy� Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. si definimo: 2 ζ=− (12) (σ� + σ* )+ φy� RC la ecuación puede reescribirse como: σ�� = EiL* − σ + ζ (t ) (13) En la ecuación anterior la corriente de referencia del inductor puede utilizarse como una entrada de control. Dada la estructura de (13) definimos el control virtual como un controlador proporcionalintegral, esto es: 1 ⎡ − k p σ� − ki η + σ* − ρ1 + β1 (σ� )⎤⎦ iL* = E⎣ (14) η� = σ� con ρ1 obtenido del siguiente sistema dinámico: ∂β1 (EiL* − σ* + ρ1 − β1 (σ� ) ) ∂σ� ∂β ρ�2 = ρ3 − β3 (σ� ) + 2 (EiL* − σ* + ρ1 − β1 (σ� ) ) ∂σ� ∂β3 ρ�3 = (EiL* − σ* + ρ1 − β1 (σ� ) ) ∂σ� bajo la suposición que ζ (3) (t ) ≈ 0 . Definiendo los errores de estimación como: z�1 = ζ (t ) − ρ1 + β1 (σ� ) z�2 = ζ� (t ) − ρ2 + β2 (σ� ) z�3 = �� ζ (t ) − ρ3 + β3 (σ� ) la dinámica de lazo cerrado en términos de las coordenadas σ, z1 es expresada por: σ�� = − k p σ� − ki η + z1 Puede verificase que al definir βi (σ� ) = ki σ� , i = 1, 2,3. el error de estimación está dado por: z1(3) − k1�� z1 − k2 z�1 − k3 z1 = 0 (15) entonces, es claro que existen ki,i=1,2,3, tal que la ecuación anterior sea exponencialmente estable y un estimado asintótico de ζ(t) es dado por ρ1-β1. ρ�1 = ρ2 − β2 (σ� ) + SIMULACIONES NUMÉRICAS El esquema de control propuesto fue primeramente probado por medio de simulaciones numéricas. El algoritmo de control fue programado usando el software de simulación MATLAB/SIMULINK, mientras que el convertidor Boost fue simulado usando el software de simulación PSIM. Ambos Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 programas de simulación trabajan en co-simulación, presentando la ventaja de que el convertidor Boost es simulado de manera mas realista con respecto al circuito real y no solo aproximado por su modelo promediado. El convertidor tiene los siguientes parámetros: L=2000 μH, C=150 μF, E=15V y R=120 Ω. La tensión de referencia se definió como vd(t)=30.0+5sin(ωt) con ω=2 (60) rad/s y f=60 Hz. Para el controlador se usaron las ganancias siguientes: k=5000, kp=-1500 y k1. Los polos de la dinámica de estimación están localizados en -20, esto es, k1=-60, k2=-1200 y k3=-8000. En la figura 2 se muestra la tensión de referencia y la tensión de salida. Como puede observarse la tensión de salida sigue muy de cerca a la tensión de referencia, lo cual muestra el buen desempeño del controlador propuesto. El error de seguimiento se muestra en la figura 3. Fig. 2. Tensiones de referencia y de salida (Simulación). Fig. 3. Error de seguimiento en % (Simulación). 33 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. En la figura 4 se muestra la corriente a través del inductor y la señal de control (ciclo de trabajo) se muestra en la figura 5. Como puede observarse en estas figuras, la corriente del inductor permanece en modo continuo y la señal de control está en todo momento acotada a un valor < 1. Fig. 6. Plataforma experimental. Fig. 4. Corriente en el inductor (Simulación). La corriente del inductor y la tensión de salida del convertidor con retroalimentadas al controlar a través de sondas aisladas de corriente y tensión, respectivamente. El periodo de muestreo se fijo en 50 μs (correspondiendo a la frecuencia de conmutación utilizada). Los parámetros del controlador son los mismos usados en la simulación, y la tensión de referencia definida como con ω=2 f rad/s y f=60 Hz. En la figura 7, se muestran las principales variables del convertidor. De arriba hacia abajo: (a) Tensiones de referencia y salida, (b) Corriente del inductor y (c) Ciclo de trabajo. Como se observa en la figura 7(a) la referencia de tensión es seguida por la tensión de salida con un error de seguimiento aceptable, el cual se muestra en la figura 8. Esto demuestra que el controlador Fig. 5. Ciclo de trabajo (Simulación). RESULTADOS EXPERIMENTALES Luego de comprobar el funcionamiento del controlador propuesto a través de simulaciones numéricas se procedió a realizar pruebas experimentales. Los parámetros del convertidor Boost construido en el laboratorio tiene los siguientes parámetros: L=2000 μH, C=150 μF, R=120 Ω y E=15 V; la frecuencia de conmutación se fijó en 20 kHz. Para implementar el controlador se utilizó una plataforma basada en el sistema dSPACE. Una foto del experimento se muestra en la figura 6. 34 Fig. 7. Principales variables del convertidor (Experimentales). (a) Tensiones de referencia y de salida (trazo superior)[10 V/div], (b) Corriente del inductor (trazo medio)[1 A/div] y (c) Ciclo de trabajo (trazo inferior) [ 0.4 pu/div]. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. práctica es factible usando un controlador digital. Además, de los experimentos puede deducirse que el controlador funciona adecuadamente en presencia de incertidumbres en los parámetros y ruido, lo cual no se consideró para el diseño del controlador. Fig. 8. Error de seguimiento (Experimental) en %. logra el objetivo propuesto de dar seguimiento a una referencia de tensión variable en el tiempo. Además, en la figura 7(b) puede observarse que la corriente del inductor es continua y no presenta un rizo importante. Por otra parte, el ciclo de trabajo mostrado en la figura 7(c) permanece suave y acotado, lo cual es importante para poder aplicarse en un convertidor práctico, dado que este es convertido en una señal modulada en ancho de pulso, con una frecuencia de conmutación constante (de 20 kHz en este caso). La señal de control modulada es mostrada en la figura 9, cuya frecuencia es efectivamente de 20 kHz. Los resultados experimentales demuestran que el controlador propuesto tiene un buen desempeño, pero además se demostró que su implementación Fig. 9. Resultados experimentales.(a) Tensiones de referencia y de salida (Acercamiento), (b) Corriente en el inductor (Acercamiento) y (c) Señal de control modulada en ancho de pulso (PWM). Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 CONCLUSIONES Se propuso un controlador para seguimiento de trayectoria de la tensión de salida de un convertidor cd-cd de tipo Boost. El controlador se basa en una linealización por retroalimentación de estados de entrada-salida (input–output state feedback linearization) y un control indirecto de la dinámica cero. Los desarrollos teóricos fueron verificados por medio de simulaciones numéricas y pruebas experimentales. Los resultados obtenidos demuestran que la dinámica de lazo cerrado es acotada. Una cuestión importante que queda pendiente en este trabajo tiene que ver con una prueba detallada de las propiedades de estabilidad de la dinámica de lazo cerrado. REFERENCIAS 1. Kassakian J. G., Schelecht M. and Verghese G. C., Principles of power electronics, AddisonWesley, USA, 1991. 2. Sanders R. S., Verghese G. C. and Cameron D. F., Nonlinear control laws for switching power converters, Procc. of the IEEE Conf. Decision and Control, Athens, Greece, 1986. 3. Ortega R., Sira-Ramírez H., Perez R. and Garcia M.,Passivity-based controllers for the stabilization of DC-to-DC power converters, Automatica, Vol. 39, No. 4, pp. 499-513, May, 1997. 4. Rodríguez H., Ortega R., Escobar G. and Baravanov, A robustly stable output feedback saturated controller for the boost DC-to-DC converter, Systems & Control Letters, Vol. 40, pp. 1-8, 2000. 5. Sira-Ramírez H., DC-to-AC power convertion on a “boost” converter, International Journal of Robust and Nonlinear Control 2001; 11:589600. 6. Sira-Ramírez H. and Silva-Navarro G., Regulation and tracking for the average boost converter 35 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. circuit: a generalized proportional integral approach, Int. J. Control, Vol. 75, No. 13, 9881001, 2002. 7. Lee T. S., Input-Output Linearization and ZeroDynamics Control of Three-Phase AC/DC Voltage-Source Converters, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 18, No. 1m January, 2003. 8. Ortega R., Loria A., Nicklasson P. J. and SiraRamírez H., Passivity based control of EulerLagrange systems, Springer, New York, 1998. 36 9. Sepulchre R., Janković M. and Kokotović P., Constructive Nonlinear Control, Springer-Verlag, New York. 10. Sira-Ramírez H., Are non-linear controllers really necessary in power electronics devices ? , European Power Electronics Conference EPE, Dresden, Germany, 2005. 11. Sira-Ramírez H., Ilic M, Exact linearization in switch mode DC-toDC power converters, International Journal of Control 1991; 54(1):11134. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización vía simulación Shirley Marbella Rojas MinjarezA, Esmeralda Niño PérezB, Ma. Guadalupe Villarreal MarroquínC, Mauricio Cabrera RíosD Departamento de Ingeniería Industrial, Instituto Tecnológico de los Mochis. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, FIME, UANL. C Department of Integrated Systems Engineering, The Ohio State University. D Industrial Engineering Department, University of Puerto Rico at Mayagüez. mauricio.cabrera1@upr.edu A B RESUMEN En optimización vía simulación (OvS) se busca obtener el mejor valor posible de una respuesta de interés a partir de la manipulación de variables de decisión asociadas con un modelo computacional del sistema bajo estudio. Una manera de lograrlo es construir un modelo empírico que represente la variación de la respuesta de interés en función de las variables de decisión para después optimizar este nuevo modelo. A un modelo empírico construido a partir de datos generados por otro modelo (de simulación), se le conoce como metamodelo. Este trabajo compara dos estrategias, en la primera se construye un metamodelo único el cual intenta representar la variabilidad global del proceso, mientras que la segunda utiliza uno que se va adaptando iterativamente y logra una alta fidelidad local. La primera estrategia es la más difundida en la práctica de OvS con metamodelos, sin embargo, este estudio apunta a que se puede lograr un mejor desempeño en optimización con la segunda estrategia. PALABRAS CLAVES Metamodelo, Optimización de Simulaciones, Redes Neuronales Artificiales. ABSTRACT In Optimization via Simulation (OvS) the aim is to obtain the best possible value of a response of interest through the manipulation of decision variables associated to the computational model of a system under study. One way to carry out OvS is to build an empirical model that maps out the response as a function of the decision variables to, then, optimize such model. An empirical model fitted to data generated by another (simulation) model, is called a metamodel. In this work, two strategies are compared, in the first a global representation is seeked through the creation of a metamodel in one iteration. In the second strategy, the focus is on the iterative construction of a metamodel with emphasis on local representation. The first strategy is the most popular way to use metamodels in OvS. The results of this study suggest, however, that the second strategy might lead to a more effective optimization. KEY WORDS Metamodel, Simulation Optimization, Artificial Neural Network. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 37 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización... / Shirley Marbella Rojas Minjarez, et al. INTRODUCCIÓN La necesidad de optimizar en el quehacer ingenieril es indudable. Diariamente se requiere tomar decisiones, preferentemente óptimas, sobre diseños, condiciones de operación, configuración de sistemas, asignación de recursos limitados, selección de equipo y materiales, entre muchas otras. Para tomar estas decisiones por lo general se requiere experimentar. Sin embargo, la experimentación dentro de sistemas industriales ya existentes es por lo general costosa y poco conveniente. Por supuesto, en sistemas que aún no están construidos, la experimentación no es ni siquiera una opción. Afortunadamente, con el desarrollo de computadoras y paquetes computacionales cada vez más poderosos se ha facilitado la creación de modelos de simulación tanto de fenómenos físicos como de eventos discretos en prácticamente todas las modalidades de la ingeniería. Es, entonces, muy conveniente utilizar estos modelos para representar y optimizar procesos y sistemas industriales. Capitalizando en las fortalezas de ambas disciplinas, optimización y simulación, es deseable conjuntar estos métodos para poder tomar mejores decisiones. El área que se ha encargado de hacer esta conjunción se denomina Optimización via Simulación (Optimization via Simulation en inglés) y a la cual se le referirá como OvS en este artículo. En este trabajo se comparan dos estrategias para OvS basadas en el uso de metamodelos. Los metamodelos son, en general, modelos empíricos creados con datos generados por modelos computacionales, esto es, son modelos de modelos. Un ejemplo de un modelo empírico es una ecuación de regresión y un ejemplo de modelo computacional, es uno de simulación por computadora de flujo de materiales. En OvS es común utilizar el modelo de simulación para tratar configuraciones determinadas por medio de variables controlables y obtener estimaciones de una medida de desempeño de interés. Al tratar varias configuraciones se generan datos con los cuales se puede ajustar un metamodelo. El uso de un metamodelo pretende facilitar la labor de optimización, que implica encontrar la configuración que provea el mejor valor posible de la medida de desempeño de interés. El objetivo de este trabajo es presentar y comparar dos estrategias de OvS para crear metamodelos que 38 sean después objeto de optimización. La primera estrategia consiste en construir un metamodelo en una sola iteración que intenta representar la variación global. La segunda estrategia involucra la construcción de un metamodelo que iterativamente aumente su complejidad apuntando hacia una alta fidelidad local. La primera estrategia es una práctica común en OvS, con un énfasis en buscar una representación fiel en todo el rango de variación de las variables de decisión y favoreciendo modelos con poca complejidad. La segunda estrategia ha sido propuesta por nuestro grupo de investigación para dar prioridad a la optimización y no a la representación. Con esta segunda estrategia es permisible tener una excelente representación local aun cuando ésta sea muy compleja y no necesariamente una buena representación a nivel global. La comparación de ambas estrategias se realiza a través de un caso de moldeo por inyección en el cual se modela la fabricación de la carátula de un teléfono celular. La calidad de los métodos se discute a la luz del valor de la solución encontrada así como en términos de la complejidad del mismo. ANTECEDENTES El objetivo de los métodos de OvS es proveer una estructura para determinar los valores de variables controlables con el fin de optimizar una función de las salidas de un modelo de simulación.2 Una rutina de optimización utiliza la salida del simulador como función objetivo dependiente de las entradas que fueron introducidas en el modelo y, en base a ésta y a evaluaciones anteriores, propone un nuevo conjunto de valores en las variables controlables. Este procedimiento continúa hasta que se cumpla un criterio de terminación.3 La figura 1 muestra un diagrama genérico de OvS. Fig. 1. Diagrama de optimización via simulación. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización... / Shirley Marbella Rojas Minjarez, et al. Existen diferentes métodos de OvS en la literatura. Estos métodos incluyen técnicas como programación no lineal, métodos de superficie de respuesta, aproximación estocástica, búsqueda aleatoria, ordenamiento y selección, metaheurísticas, entre otras. Revisiones de literatura comprensivas acerca de técnicas de optimización aplicadas a la simulación bajo diferentes enfoques se pueden encontrar en.2, 4-9 De particular interés en este trabajo son los métodos de OvS que utilizan metamodelos. Una revisión amplia del uso de metamodelos se puede encontrar en la referencia.10 La regresión lineal estándar aparece como una de las técnicas más populares para este fin. Más recientemente las Redes Neuronales Artificiales (RNAs) han ganado popularidad también.11 Buot et al.12 utilizaron una RNA dentro del problema de minimizar la ocupación de dos zonas del área de embarque de una empresa chilena; Altiparmak et al.13 construyeron una RNA para determinar el tamaño óptimo de los espacios de almacenaje en una línea de ensamble asincrónica; Martin y Simpson14 desarrollaron un método basado en metamodelos kriging adaptativos con el objeto de representar lo mejor posible toda la superficie de respuesta; Cheng y Currie15 utilizaron aproximación Bayesiana para construir una serie de regresiones cuadráticas; Moniaci y Pasero 16 utilizaron una RNA para representar la efectividad de una línea de producción. Dado el éxito del uso de metamodelos y a que hemos reportado la efectividad de usar diseño de experimentos para optimización aplicada a la simulación de fenómenos físicos y químicos en otras publicaciones,1, 17-22 se decidió hacer uso de ambas técnicas en la construcción de una estrategia de OvS en la que un metamodelo se construye iterativamente para favorecer la búsqueda de una solución óptima. Cabe mencionar que debido a que muchas de las técnicas propuestas en la literatura pueden resultar un reto para personas con conocimientos modestos de optimización y programación, se ha buscado automatizar este proceso. Actualmente varios paquetes comerciales de simulación tanto de eventos discretos como de fenómenos físicos, contienen módulos de optimización que utilizan, entre otras, estrategias metaheurísticas.11 Con estas estrategias en general se gana rapidez a un costo de perder certeza sobre la optimalidad de las soluciones encontradas. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Estos módulos aumentan grandemente la capacidad del usuario para optimizar, sin embargo es común que no permitan la construcción de funciones objetivo o de restricciones funcionales. Creemos que la flexibilidad y transparencia de los problemas de optimización pueden contribuir mucho al proceso creativo de diseño de procesos y sistemas y que, por tanto, son características deseables en los métodos de optimización aplicada a la simulación. DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRATEGIAS EN COMPARACIÓN Las dos estrategias de OvS basadas en metamodelos que se comparan en este trabajo se muestran esquemáticamente en las figuras 2 y 3. Fig. 2. Estrategia de OvS de una sola iteración con un metamodelo global. Estrategia 1: método de una sola iteración para construir un metamodelo que aproxime a nivel global La primera estrategia (figura 2) consiste de una sola iteración y construye un metamodelo que intenta representar la variación global. Como se puede apreciar en la figura 2, este método comienza con un diseño experimental (DOE) con n puntos experimentales (combinación de valores de variables controlables) y n evaluaciones del modelo de simulación. Después, la información del DOE (valores de variables controlables) y los resultados de la simulación (valores de función objetivo) son utilizados para aproximar la respuesta de interés de manera global por medio de un metamodelo. 39 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización... / Shirley Marbella Rojas Minjarez, et al. Estrategia 2: método iterativo para construir un metamodelo con alta fidelidad local La segunda estrategia analizada fue propuesta por Villarreal y Cabrera-Ríos1 y construye metamodelo en varias iteraciones con alta fidelidad local. La estrategia se muestra en la figura 3. Fig. 3. Estrategia de OvS desarrollada por Villarreal y Cabrera-Ríos.1 Posteriormente, el metamodelo es optimizado para encontrar una solución atractiva al problema en estudio. Y finalmente, la mejor solución es reportada al tomador de decisiones. Dada la intención de representar globalmente la variación en un diseño de experimentos, es común recurrir a metamodelos no lineales, tales como las RNAs. Se refiere al lector interesado a23 para conocer más sobre este tipo de modelos. En este trabajo dos diferentes RNAs al igual que un modelo de regresión cuadrática fueron utilizados como metamodelos. Dado que el modelo de optimización la mayoría de las veces es no convexo, un método de optimización local convergerá a una solución óptima no global. Es por esto que un método de optimización local se combina aquí con la técnica de múltiples comienzos para escapar de optimalidad local. Una ventaja que se vislumbra con la estrategia 1 es que termina rápidamente, sin embargo, una desventaja potencial es precisamente su énfasis en encontrar una representación adecuada global. 40 La estrategia se explica a continuación: Inicialización 1). DOE inicial: El método inicia con un DOE. Si las variables de decisión son pocas (menos de 10) y se tiene solamente restricciones laterales, se recomienda utilizar un Diseño Compósito Central (DCC). En cualquier otro caso, será necesario recurrir a otros diseños como el D-Óptimo. El DOE resultará en n corridas consistentes de combinaciones xi = (x1, x2, x3,…, xv)i de las v variables controlables (decisión) a incluir en el problema de optimización, así como su evaluación E[f(xi)], donde i=1,2,…,n. Si el DOE es replicado, entonces E[f(xi)] será la media de las réplicas. 2). Solución incumbente: Se selecciona la combinación del DOE con el mínimo valor de la función objetivo. Esta combinación se convierte en la solución incumbente [xk-mejor, E[f(xk-mejor)]]. También en este paso se inicializa un contador de iteraciones k:= 0. Iteración Principal 3). Actualizar contador: k = k+1. 4). Obtener metamodelo: Utilizando los puntos disponibles, se construye el k-ésimo metamodelo f̂ (⋅) k . En el caso, se utiliza un metamodelo saturado, i.e. un modelo de regresión con (n1)+(k-1) coeficientes. Las variables de entrada deberán estar escaladas en el rango [-1,1] para evitar problemas de dimensionalidad al obtener los coeficientes de regresión. 5). Optimizar metamodelo: Utilizando el metamodelo como función objetivo a ser minimizada sujeto a las restricciones pertinentes, se procede a utilizar la técnica de múltiples comienzos combinada con un optimizador local para obtener una solución atractiva, xk. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización... / Shirley Marbella Rojas Minjarez, et al. 6). Ejecutar la simulación en el nuevo punto: Estimar, vía simulación, el valor E[f(xk)] cuidando que si el DOE inicial fue replicado, en esta estimación se tenga el mismo número de réplicas y se reporte la media. 7). Evaluar si el punto nuevo es mejor que el incumbente: En este caso, evaluar si xk tiene un valor objetivo estrictamente menos a x(k-1)-mejor i.e. si E[f(xk)] < E[f(x(k-1)-mejor)]. 8). Actualizar la solución incumbente: Actualizar la solución incumbente de acuerdo a la evaluación del punto anterior. Si E[f(xk)] < E[f(x(k-1)-mejor)], entonces se asignará [xk-mejor, E[f(xk-mejor)]]:=[xk, E[f(xk)]], de otra manera, la solución incumbente no cambiará. 9). Evaluar los criterios de terminación del método: tres criterios de terminación son evaluados: determinar si (1) xk es parte del DOE inicial o de algunos de los puntos utilizados en previas iteraciones para construir el metamodelo, (2) el coeficiente de determinación, R2=1, y (3) un número máximo de iteraciones se ha alcanzado. Si alguno de los criterios de determinación se cumple, el método para y se toma la solución incumbente como la salida final. Si los criterios no se cumplen, entonces se añade xk al conjunto de puntos disponibles para construir un nuevo metamodelo, y se regresa al inicio de la iteración principal. Una estrategia de este tipo podría resultar en múltiple corridas de simulación adicionales, sin embargo, tiene la ventaja de ir añadiendo información importante para la creación de un metamodelo y favorecer así su convergencia a una solución atractiva, como se podrá apreciar en el caso de estudio que se presenta a continuación. CASO DE ESTUDIO Descripción del problema El caso de análisis para este trabajo consiste en la simulación del proceso de moldeo por inyección de una carátula de teléfono celular. Este modelo de simulación es uno de los ejemplos incluidos en el paquete computacional MoldflowTM y se muestra en la figura 4. El problema de optimización implica encontrar los valores a los que se deben fijar la temperatura del molde y la presión de empacado para Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 4. Carátula del teléfono celular. minimizar el tiempo de ciclo. El tiempo de ciclo es la suma del tiempo de llenado, el tiempo de empacado y el tiempo de enfriamiento, lo cual se relaciona con el tiempo que utiliza efectivamente el molde en el proceso de moldeo por inyección. El material utilizado para moldear esta parte fue Petrothene GA584-000: Mellenium Petrochemical Inc. Como se mencionó anteriormente la temperatura del molde y la presión de empacado fueron las variables de decisión y fueron variadas en el rango sugerido en la base de datos de materiales de Moldflow. El rango para la temperatura del molde fue de 185°C a 225°C y para la presión de empacado de 10 MPa a 500 MPa. Con respecto a la optimización, el diseño de experimentos inicial para ambas estrategias en comparación fue un diseño compósito central (DCC) de 2 variables controlables (temperatura y presión), con 9 puntos experimentales (corridas del simulador). El diseño experimental se muestra en la figura 5 y en la tabla I. La tabla I contiene además el valor de tiempo de ciclo obtenido al correr el simulador con cada combinación de valores de las variables controlables especificado. Cabe señalar que para este ejemplo no es necesario realizar réplicas pues al no contener la simulación variables estocásticas, se obtendría, dados los mismos datos, la misma respuesta todas las veces. Fig. 5. Corridas del Diseño de Experimentos Inicial. 41 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización... / Shirley Marbella Rojas Minjarez, et al. Tabla I. Diseño experimental inicial. Temperatura (°C) Presión (MPa) Tiempo de Ciclo Simulado (seg) 185 10.0 4.06 185 500.0 3.87 195 255.0 3.76 205 132.5 4.02 205 255.0 4.02 205 377.5 4.02 215 255.0 4.16 225 10.0 4.20 225 500.0 4.20 Con la primera estrategia se construyeron 3 metamodelos a partir de los datos mostrados en la tabla I. El primero fue una regresión con términos lineales, cuadráticos e interacciones de segundo orden. El segundo fue una RNA de tres neuronas en la capa oculta entrenada solamente con 6 puntos del diseño experimental y validada con los 3 restantes. Mantener un conjunto de puntos de entrenamiento y otro conjunto de validación es común al aproximar por medio de RNAs. 23 Finalmente, el tercer modelo fue una RNA de tres neuronas en la capa oculta sin validación, entrenada con los 9 puntos del diseño experimental. Los resultados de la optimización utilizando cada uno de los metamodelos asociados con la estrategia 1 independientemente se compararon, entonces, con los resultados al aplicar la segunda estrategia como se describió en el apartado anterior. Los resultados comparativos se muestran en la tabla II para la estrategia 1 con sus tres metamodelos variantes y para la estrategia 2. Se puede observar que el menor tiempo de ciclo se obtiene con la segunda estrategia, arrojando un tiempo de ciclo de 3.76 segundos en diferentes corridas, por lo que son varias las combinaciones de tiempo y presión donde se reporta el mínimo valor en la medida de desempeño. En este caso en particular, se contó con un punto muy competitivo desde el diseño experimental inicial y, sin embargo, la estrategia 1 no pudo llegar a soluciones dentro de ese vecindario. En contraste, la estrategia 2 llegó al mejor punto que había dado el diseño inicial y, en su ejecución generó varios puntos alrededor. En la figura 6 se puede observar gráficamente la diferencia de los resultados obtenidos con los diversos métodos y se aprecia cómo los puntos obtenidos por el método propuesto por Villarreal y Cabrera-Ríos se localizan en una región de mínimo tiempo de ciclo. Se puede notar que el desempeño de la estrategia 2 tuvo el costo de hacer corridas adicionales, sin embargo, éstas se aprovecharon para establecer una zona atractiva de operación en el proceso simulado. La estrategia 2, como tal, no puede garantizar optimalidad global, lo cual quiere decir que tiene una naturaleza heurística. Por otro lado, la estrategia 1 que también es una heurística- presenta la ventaja de permitir una sola iteración, aunque el sacrificio es en términos de la calidad de la solución encontrada. Fig. 6. Tiempo de ciclo vs. presión y temperatura, obtenidos al aplicar los diferentes métodos de optimización de simulaciones en estudio. Tabla II. Resultados comparativos. Estrategia 1 Estrategia 2 Tipo de metamodelo RNA (6+3) Número de Simulaciones 9 9 9 R (último metamodelo) 76% 100% 78% Temperatura (°C) 192.9 185 185 190.38 191.04 190.21 195 Presión (MPa) 500 281.9 500 296.36 362.02 341.35 255 Tiempo de Ciclo (segundos) 4.01 3.87 3.87 3.76 3.76 3.76 3.76 2 42 RNA (9) Regresión cuadrática Polinomio con el máximo grados de libertad 15 100% Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización... / Shirley Marbella Rojas Minjarez, et al. CONCLUSIONES En este trabajo se presentó la comparación de dos estrategias de optimización vía simulación a través de la utilización de metamodelos. La primera estrategia involucra una sola iteración y construye un metamodelo global, mientras que la estrategia 2 es iterativa y construye un metamodelo con alta fidelidad local. La comparación del desempeño de ambos métodos se realizó utilizando un caso de estudio de moldeo por inyección. La estrategia 1 ha sido una práctica común en la literatura de optimización vía simulación, mientras que la estrategia 2 ha sido un desarrollo reciente. En este trabajo comparativo se empieza a vislumbrar que es posible encontrar mejores soluciones con un metamodelo construido iterativamente con un énfasis local. El punto importante es que tal estrategia no conlleve un número muy grande de simulaciones adicionales. La introducción de un modelo que utiliza todos los grados de libertad disponibles es, de hecho, lo que hace posible el balance entre la calidad de solución y una convergencia en pocas corridas adicionales en la estrategia 2. Utilizar un metamodelo complicado desde un principio, sin embargo, es una práctica poco favorecida por la teoría estadística, lo que hace que estos resultados tengan una naturaleza contraintuitiva. REFERENCIAS 1. Villarreal M.G. y M. Cabrera-Ríos. Un método adaptativo basado en metamodelos para optimización aplicada a la simulación. Memorias del IEEE 5º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico. (2007). 2. Swisher J.R., P.D. Hyden, S.H. Jacobson y L.E. Schruben. A survey of simulation optimization techniques and procedures. Proceedings of the 1994 Winter Simulation Conference. pp. 119128, (2000). 3. April J., M. Better, F. Glover y J. Kelly. New Advances and applications for marrying Simulation and Optimization. Proceedings of the 2004 Winter Simulation Conference. (2004). 4. Fu M.C.A tutorial review of techniques for Simulation Optimization. Proceedings of the Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 1994 Winter Simulation Conference. pp. 149156, (1994). 5. Andradóttir S. A review of Simulation Optimization techniques. Proceedings of the 1998 Winter Simulation Conference. pp. 151158, (1998). 6. A z a d i v a r F . S i m u l a t i o n O p t i m i z a t i o n Methodologies. Proceedings of the 1999 Winter Simulation Conference. pp. 93-100, (1999). 7. Fu M. C.Simulation Optimization. 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Castro y C.A. MountCampbell. Multiple Quality Criteria Optimization in InMold Coating (IMC) With A Data Envelopment Analysis Approach. Journal of Polymer Engineering. Vol.22, No.5, pp. 305-340, (2002). 19. Cabrera-Ríos M., K.S. Zuyev, X. Chen, J.M. Castro y E.J. Straus. Optimizing Injection Gate Location and Cycle Time for the In-Mold Coating (IMC) Process. Polymer Composites. Vol.23, No. 5, pp. 723-738, (2002). 20. Castro C.E., M. Cabrera-Ríos, B. Lilly y J.M. Castro. Simultaneous Optimization of Mold Design and Processing Conditions in Injection 44 Molding. Journal of Polymer Engineering. Vol.25, No.6, pp. 459-486, (2005). 21. Castro C.E., M. Cabrera-Ríos, B. Lilly y J.M. Castro. Optimization and Analysis of Variability in Injection Molding. Aceptado para su publicación en Journal of Polymer Engineering and Science. (2006). 22. Castro J.M., M. Cabrera-Ríos y C.A. MountCampbell. Modelling and Simulation in Re-active Polymer Processing. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. Vol.12, pp. S121-S149, (2004). 23. Salazar M.A., M. Cabrera-Ríos. Pronóstico de demandas por medio de redes neuronales artificiales. Ingenierías. Vol. 10, No. 35, pp. 6-12, (2007). AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen las becas del CONACYT y de la AMC otorgadas a las estudiantes involucradas en este trabajo, así como al apoyo de la FIME, la UANL y el Tecnológico de los Mochis. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento a 10 años (1999-2009) Candelaria Ramírez Tule, Mariana L. Reyna Agreda, Aída M. García García, Xóchitl A. Ortiz Jiménez, Pablo Valdez Ramírez Facultad de Psicología, UANL pablovaldezramirez@gmail.com RESUMEN El objetivo de este trabajo fue llevar a cabo un seguimiento durante 10 años de los egresados de tres programas de Maestría en Ciencias; usando como criterio de la formación como científicos, la publicación de dos o más artículos en revistas internacionales indexadas. Se analizaron los datos de 100 estudiantes que en 1999 cursaban la Maestría en Ciencias en tres Facultades de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Se utilizaron las siguientes bases de datos: Google Scholar, Science Citation Index Expanded, Scopus y Journal Citation Reports. En 2009, 65 egresados no publicaron, 14 publicaron un artículo y solamente 21 publicaron dos o más trabajos. En conclusión, pocos egresados del posgrado en México se convierten en científicos. PALABRAS CLAVE Formación científica, ciencia, investigación, posgrado, México. ABSTRACT This is a 10 years (1999-2009) follow up study of graduates from three Master of Science programs, using the publication of two or more indexed papers in international journals as the criterion for becoming a scientist. Data were collected from 100 students enrolled in 1999 in 3 Schools of the Universidad Autónoma de Nuevo León. Bibliographic databases used were: Google Scholar, Science Citation Index Expanded, Scopus and Journal Citation Reports. In 2009, 65 students did not publish any paper, 14 published a single paper and only 21 published two or more papers. In conclusion, few graduates are becoming scientists in Mexico. KEYWORDS Scientific career, science, research, graduate studies, Mexico. INTRODUCCIÓN La ciencia es crucial para el desarrollo económico de un país.1,2 Por tanto, si un país pretende competir a nivel internacional tiene que estar a la vanguardia del conocimiento científico.3 Los hallazgos derivados de la ciencia constituyen la base para generar tecnología,4 por lo que un país que carece de ciencia se ve obligado a comprar las aplicaciones tecnológicas que producen otros países, generando Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 45 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. -en consecuencia- una dependencia indefinida de ellos.5 Para evitar esta situación, es necesario contar con científicos que produzcan los conocimientos necesarios para fortalecer el desarrollo tecnológico y económico nacional con calidad y eficiencia.6 Sin embargo, formar científicos no es sencillo, no existe una receta universal, ya que no se conocen con precisión cuáles son las condiciones que se requieren para la formación de científicos.7 Se ha planteado que esta formación se adquiere en el posgrado (maestría y doctorado), sin embargo la enseñanza formal es solamente una parte de las experiencias que requieren los estudiantes para formarse como científicos. Algunos autores han planteado que una forma de inducir a los jóvenes a esta actividad es exponerlos -lo antes posible- a trabajar en centros de investigación.8 De esta manera, el aprendiz puede interactuar con maestros que realizan investigación, que publican en revistas internacionales, que valoran la lectura de artículos especializados y que exponen en congresos. En este ambiente, los estudiantes pueden adoptar las normas y las actitudes específicas de esa comunidad y en consecuencia, desarrollar su vocación hacia la ciencia. Además de estos aspectos, se han considerado factores personales como la curiosidad, la perseverancia, la constancia, la resistencia al fracaso, entre otros, como elementos importantes para que una persona se forme como científico. De acuerdo con los estudios de Sociología y Psicología de la Ciencia,9,10 para la formación de científicos es necesario tomar en cuenta dos aspectos: teórico-metodológicos y humanos. Por lo tanto, es importante que el estudiante aprenda las teorías y los métodos de un campo del conocimiento, pero también es relevante que asimile las reglas de comportamiento de los científicos, esto implica aprender las normas, las reglas de grupo, el estilo de trabajo, la constancia, la disciplina, así como las actitudes de los científicos.11,12 Valdez13 propone un modelo para estudiar la formación del científico. De acuerdo con este modelo existen cuatro factores cruciales para la formación del científico: el contacto con la investigación, la interacción con los científicos, las condiciones en que se realiza la ciencia y los factores personales. Para promover el contacto con la investigación se ha recurrido frecuentemente a un sistema tutorial, el 46 cual implica que los jóvenes interesados se incorporen a un grupo de trabajo, esto es, un laboratorio, departamento, centro o clínica, donde puedan imitar a una persona experta en un área determinada.5 En el grupo de trabajo, el estudiante convive tanto con su tutor como con otros científicos. De esta forma, los estudiantes aprenden las teorías y los métodos de un campo del conocimiento, las estrategias que se usan para plantear y enfrentar problemas, para proponer hipótesis, desarrollar métodos y técnicas, redactar en el estilo de la ciencia, comunicarse con otros científicos y corregir los errores.9 Un elemento importante dentro de la interacción que propone este modelo son los tutores, quienes enseñan a sus discípulos los problemas y los métodos en un campo específico de la ciencia.5 Sin embargo, también existen tutores en el medio de la investigación que no cuentan con las características idóneas y que en lugar de estimular a los estudiantes los desalientan.14 El tercer factor de este modelo indica que es importante el ambiente de trabajo donde se valora la investigación. En este ambiente, el estudiante encuentra científicos reconocidos, además cuenta con los recursos necesarios, tanto humanos como materiales, para realizar ciencia.6 Finalmente, el cuarto factor señala que es necesario estudiar los motivos personales, las metas, prioridades, la constancia, persistencia y disciplina, así como los estilos de trabajo.5 De acuerdo con esta propuesta, contar con un lugar donde se cubran estos factores podría garantizar la formación de un científico. No obstante, existen casos en los cuales el estudiante tiene las condiciones necesarias para desarrollarse pero no concluye su formación o al finalizar la misma se dedica a otra actividad. Benitez6 señala que el formar científicos es una tarea ardua, que implica responsabilidad con la comunidad científica y con la sociedad, por tanto propone un estudio más amplio de los factores implicados en la formación del científico. Como se mencionó antes, los científicos son importantes para contribuir al desarrollo económico de un país, de ahí que en los países del primer mundo se reconoce la necesidad de formar científicos, por lo que cuentan con condiciones apropiadas para la formación de científicos. Sin embargo, en los países Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. subdesarrollados no existe claridad respecto a la importancia que tiene la ciencia, ni la formación de científicos, por lo que la formación de científicos en estos países implica muchas dificultades.6,15 En nuestro país, la formación de científicos se inicia en el posgrado, específicamente en las maestrías en ciencias, que se consideran una etapa de inducción, mientras que se espera que el estudiante consolide su formación en el doctorado.16 Las maestrías y doctorados en ciencias reciben apoyo por parte del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT). 17 Los alumnos inscritos en las maestrías y doctorados que cumplen con los criterios que establece el Programa Nacional de Posgrados de Calidad (PNPC) del CONACYT, reciben una beca mensual de manutención. Sin embargo, nuestro país aún no cuenta con las condiciones adecuadas para promover la ciencia y la formación de científicos.18,19 El presupuesto para la ciencia es muy limitado, es de apenas un 0.37 % del Producto Interno Bruto (PIB), mientras que en los países desarrollados esta cifra va del 2 al 3 %.20 El presupuesto real que se ejerce en la ciencia es aún más bajo, ya que se da prioridad a proyectos aplicados o de desarrollo tecnológico.21 Además, se cuenta con muy pocas personas preparadas para hacer ciencia, pues a la fecha sólo existen 0.9 científicos por cada 1,000 trabajadores, mientras que en los países desarrollados esta cifra es de 5-10. Es importante señalar que México ocupa el último lugar de los países miembros de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OECD), tanto en presupuesto para la ciencia, como en el número de científicos.20 Otro aspecto relevante es que Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 la investigación se encuentra centralizada en la ciudad de México, donde se concentran aproximadamente el 50 % de los recursos destinados a la ciencia y más del 50 % de los científicos del país.17 La falta de apoyo a la ciencia en México desemboca en condiciones precarias para la formación de científicos, ya que existen pocos científicos que pueden fungir como tutores, pocos grupos de trabajo donde el estudiante pueda insertarse y convivir con varios científicos, y no se cuenta con la infraestructura adecuada para que el estudiante aprenda la ciencia.22 A pesar de los problemas de México como país en vías de desarrollo es necesario conocer el proceso de formación de los científicos para generar recursos humanos que en un futuro redunden en el desarrollo de nuestro país.8 Sin embargo, la mayor parte de las publicaciones que abordan este tema consisten en reflexiones y propuestas elaboradas a partir de la experiencia personal de algunos científicos; otros trabajos analizan la formación y las condiciones de la ciencia tomando como material de base los datos estadísticos que publican diferentes organismos, como el CONACYT, la Secretaría de Educación Pública (SEP), la OECD, etc. Para profundizar en este análisis, es necesario llevar a cabo estudios de seguimiento de los egresados del posgrado, esto nos puede dar indicios de qué tanto el posgrado está promoviendo realmente la formación de científicos en nuestro país. Un aspecto que se podría considerar como indicador de que un egresado se ha formado como científico son sus publicaciones en revistas internacionales indexadas y las citas a sus trabajos. Un criterio fundamental de que un egresado se ha formado como científico, es que haya publicado dos o más trabajos en revistas indexadas, lo que se puede documentar a través de un periodo de seguimiento de varios años, después de que egresó del posgrado. Publicar un sólo trabajo no se considera evidencia de que el egresado es un científico, ya que pudo haber sido la publicación de la tesis de maestría o doctorado. De hecho, algunos programas de doctorado establecen como requisito de egreso el que el estudiante publique un artículo en una revista indexada. En consecuencia, publicar un artículo puede implicar cumplir con el requisito del posgrado, pero no significa que la persona se siga dedicando a la ciencia. 47 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. El propósito de este trabajo es llevar a cabo un seguimiento durante 10 años (1999-2009) de los egresados de tres programas de Maestría en Ciencias; usando como criterio de la formación como científico, la publicación de dos o más artículos en revistas internacionales indexadas. De acuerdo con las precarias condiciones de la ciencia en México, especialmente en provincia, se plantea como hipótesis que la formación de científicos en nuestro país es muy limitada, por lo que se espera que pocos egresados del posgrado sigan dedicándose a la ciencia. MÉTODO DATOS Y ANÁLISIS Se llevó a cabo un seguimiento de 100 estudiantes (34 mujeres y 66 hombres) que en 1999 cursaban la Maestría en Ciencias en tres Facultades de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), con una edad de 26.12±4.09 (promedio±desviación estándar, rango=21-41). 31 en la Facultad de Medicina (Medicina) (16 hombres, 15 mujeres), 33 en la Facultad de Ciencias Biológicas (Biología) (20 hombres, 13 mujeres) y 36 en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (Ingeniería) (30 hombres, 6 mujeres). El seguimiento incluyó al total de alumnos inscritos en las Maestrías en Ciencias de las Facultades mencionadas. En 1999 esos programas se encontraban inscritos en el PNPC, por lo que los alumnos mencionados recibían una beca mensual de manutención del CONACYT para que pudiesen dedicarse de tiempo completo al programa de Maestría en Ciencias. Es pertinente agregar que esos programas aún se encuentran inscritos en el PNPC. Se usaron las siguientes Bases de datos: 1. Google Scholar (GS), Science Citation Index Expanded (Institute for Scientific Information) y Scopus (Elsevier). En estas bases de datos se buscaron las publicaciones indexadas de los egresados de la maestría. Solamente se incluyeron publicaciones que se encontraban indexadas en el Journal Citation Reports. 2. Journal Citation Reports (JCR) 2006 y 2008. En estas bases de datos se consultó el Factor de Impacto (Impact Factor) de la revista donde se publicaron los artículos. El factor de impacto 48 se buscó en el JCR-2008, sin embargo algunas revistas no se encontraron en la base de datos de esa fecha, por lo que se recurrió al JCR-2006. El factor de impacto es una medida de la importancia de una publicación científica. Básicamente consiste en el promedio de citas por artículo de la revista, calculado a partir de las citas que obtienen los artículos durante 2 años. 3. Catálogo Electrónico de la UANL. Mediante esta base se obtuvieron los datos de las tesis de maestría de los estudiantes que obtuvieron el grado y de los estudiantes que siguieron el doctorado en la UANL. 4. Lista de investigadores vigentes en el Sistema Nacional de Investigadores (SNI) en 2009. PROCEDIMIENTO De febrero de 2008 a marzo de 2009 se buscaron las publicaciones de los estudiantes en las bases de datos Google Scholar, Science Citation Index Expanded y Scopus, la búsqueda se llevó a cabo a partir de las siguientes combinaciones de los nombres de los estudiantes: 1. Nombre, apellido paterno y apellido materno. 2. Apellido paterno y apellido materno. 3. Nombre y apellido paterno. 4. Apellido paterno y nombre. 5. Inicial del Nombre y apellido paterno. 6. Apellido paterno e inicial del nombre. Con la finalidad de asegurarnos que las publicaciones localizadas en las bases de datos pertenecían a los estudiantes, se tomaron en consideración los siguientes criterios: 1. Se seleccionaron los artículos en el que uno de los autores coincidía con el nombre del estudiante, ya sea el nombre completo o combinaciones de sus apellidos con sus iniciales. Por ejemplo, si el nombre era: Juan Carlos López Pérez, el apellido y las iniciales deberían estar en el orden siguiente, J. C. López Pérez; Juan C. López Pérez; López Pérez J. C.; López Pérez Juan C.; J. C. López; López J. C., J. López, López J, etc. Además, las referencias se cotejaban con otros datos como: el nombre de la universidad de la cual egresó el estudiante, el lugar de nacimiento del participante, el lugar donde el estudiante cursó su licenciatura, el correo electrónico, si dentro de los coautores Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. 2. 3. 4. 5. 6. se encontraba el maestro responsable de su tesis o compañeros de la maestría. Se seleccionaron sólo los artículos publicados en revistas internacionales indexadas y se excluyeron los capítulos de libro, resúmenes en congresos, tesis, patentes, artículos en revistas arbitradas o en revistas de difusión. Enseguida se obtenía el número de citas que tenían cada uno de los artículos publicados. La búsqueda de citas se realizó mediante Google Scholar y Scopus. Solamente se incluyeron las citas externas, esto es, citas en las que no aparecía ninguno de los autores del artículo citado. Posteriormente, se obtuvo el número de colaboradores y la posición en la que se encontraba el egresado como coautor de cada uno de los artículos publicados. Se obtuvo la cantidad de estudiantes que pertenecían al SNI, por medio de la lista de investigadores vigentes del 2009. Se obtuvo la información de las tesis de maestría de los estudiantes titulados y de los estudiantes que siguieron el doctorado en la UANL, por medio del Catálogo Electrónico de esta institución. RESULTADOS Se encontró que 78 estudiantes obtuvieron el grado de maestría. 28 de Medicina, 22 de Biología y 28 de Ingeniería. 16 estudiantes obtuvieron el grado de doctor en la UANL. 8 en Medicina, 5 en Biología y 3 en Ingeniería. En 2009, 11 pertenecían al SNI, 9 de ellos con nivel de Candidato y 2 con nivel 1, 7 de Medicina, 2 de Biología y 2 de Ingeniería. Se encontraron diferencias significativas en la edad de los alumnos de cada Facultad (F=9.65, gl=2, p<0.001), de acuerdo con el análisis post-hoc los alumnos de Medicina y Biología tenían mayor edad que los de Ingeniería (Medicina 28.10±4.25; Biología 26.48±4.32; Ingeniería 24.08±2.63). Se encontraron diferencias significativas en el género por Facultad (Chi cuadrada=8.10, p<0.02), en Medicina no había diferencia entre hombres (n=16) y mujeres (n=15), pero en Biología y en Ingeniería había más hombres que mujeres (Biología 20 hombres, 13 mujeres; Ingeniería 30 hombres, 6 mujeres) (tabla I). Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Tabla I. Datos generales. Facultad N Edad Género Promedio (s) F M Medicina 31 28.10 (4.25) 15 16 Biología 33 26.48 (4.32) 13 20 Ingeniería 36 24.08 (2.63) 6 30 Total 100 26.12 (4.09) 34 66 N=Número de participantes, s=Desviación estándar, F=Femenino, M=Masculino. Se encontró que 65 estudiantes no publicaron y 35 estudiantes publicaron al menos un artículo en revistas indexadas, 14 de ellos publicaron solamente un artículo y 21 publicaron dos o más artículos. Esto permitió clasificar a los estudiantes en tres grupos: Grupo P-0 (sin publicaciones), Grupo P-1 (con una publicación) y Grupo P-2 (con dos o más publicaciones) (tabla II, figura 1). En el Grupo P-0 (sin publicaciones) (n=65), 12 eran de Medicina, 23 de Biología y 30 de Ingeniería. En el Grupo P-1, 6 eran de Medicina, 4 de Biología y 4 de Ingeniería. Obtuvieron un promedio de 0.35 citas por artículo, 0.5 los de Medicina, 0.5 los de Biología y 0 los de Ingeniería (figura 2). Sus trabajos aparecieron en revistas con un promedio de factor de impacto de 1.42, en los de Medicina el factor fue de 1.65, en los de Biología de 1.46 y en los de Ingeniería de 1.03. Publicaron en promedio con 5 colaboradores, los de Medicina con 6.16, los de Biología con 5 y los de Ingeniería con 3.25. Ocuparon Fig. 1. Porcentaje de egresados con una formación científica de acuerdo con el criterio de publicar dos o más artículos en revistas internacionales indexadas. 49 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. Tabla II. Resultados de los grupos de acuerdo a la cantidad de artículos publicados. Grupo Medicina (N=13) Biología (N=6) Ingeniería (N=2) Total (N=21) Variable Promedio (rango) Promedio (rango) Promedio (rango) Promedio (rango) Citas por artículo 0.5 (0-2) 0.5 (0-2) 0 (0) 0.35 (0-2) Factor de impacto 1.65 (0.44-2.58) 1.46 (0.093.16) 1.03 (0.62-1.58) 1.42 (0.093.16) Colaboradores 6.16 (4-11) 5 (4-7) 3.25 (2-5) 5 (2-11) Posición como colaborador 2 (1-4) 2.75 (2-5) 1.25 (1-2) 2 (1-5) Artículos publicados 4.31 (2-12) 6.33 (2-14) 5.00 (4-6) 4.95 (2-14) Citas por artículo 3.79 (0-21) 6.49 (0-15) 3.25 (1-6) Factor de impacto 2.48 (0.32-4.95) 2.11 (1.422.66) Colaboradores 6.54 (2-15) Posición como colaborador 3.04 (1-8) U p 4.51 (0-21) 43.50 0.001 1.53 (1.32-1.76) 2.28 (0.324.95) 74.00 0.02 8.58 (5-16) 4.25 (2-6) 6.9 (2-16) 93.00 NS 2.25 (1-6) 1.5 (1-2) 2.67 (1-8) 128.00 NS P0 (Sin publicaciones) N=65 P1 (Una publicación) N=14 P2 (Dos o más publicaciones)N=21 U = U de Mann-Whitney, comparaciones entre los grupos P1 y P2, NS = No Significativo. una posición promedio de 2 como coautores, los de Medicina ocuparon una posición de 2, los de Biología de 2.75 y los de Ingeniería de 1.25. Del Grupo P-2, en el que 21 estudiantes publicaron 2 o más artículos, 13 eran de Medicina (42 % de esa Facultad), 6 de Biología (18 % de esa Facultad) y 2 de Ingeniería (6 % de esa Facultad). Publicaron un promedio de 4.95 artículos, 4.31 de Medicina, 6.33 de Biología y 5.00 de Ingeniería. Estos estudiantes obtuvieron un promedio de 4.51 citas por artículo, 3.79 los de Medicina, 6.49 los de Biología y 3.25 los de Ingeniería (figura 2). La cantidad de citas de este grupo fue mayor que las citas que obtuvieron los alumnos que solamente publicaron un artículo (U=43.5, p<0.001). Sus trabajos aparecieron en revistas con un promedio de factor de impacto de 2.28, en los de Medicina el factor fue de 2.48, en los de Biología de 2.11 y en los de Ingeniería de 1.53. Los estudiantes de este grupo publicaron en revistas 50 con un mayor factor de impacto en comparación con los alumnos que solamente tenían un artículo publicado (U=74, p<0.02). Los 21 estudiantes publicaron en promedio con 6.90 colaboradores, los de Medicina con 6.54, los de Biología con 8.58 y los de Ingeniería con 4.25. Ocuparon una posición promedio de 2.67 como coautores, los de Medicina ocuparon una posición de 3.04, los de Biología de 2.25 y los de Ingeniería de 1.50. No se encontraron diferencias entre los dos grupos que publicaron (P-1 y P-2), ni en el género, ni en el promedio de colaboradores, ni en la posición que ocuparon como coautores. DISCUSIÓN En este trabajo se encontró que 21 de los 100 estudiantes de la maestría en ciencias publicaron dos o más artículos en revistas internacionales indexadas. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. Fig. 2. Producción científica de los egresados de Medicina, Biología e Ingeniería. Las barras blancas representan el grupo P1 (14 % de la muestra), que incluye a los egresados que tenían solamente una publicación. Las barras grises representan el grupo P2 (21 % de la muestra), que incluye a los egresados que tenían dos o más publicaciones. El grupo P0 (65 % de la muestra) no aparece en la gráfica, ya que no tenían ninguna publicación. De acuerdo con el criterio que se usó en este trabajo, podemos afirmar que solamente estos 21 estudiantes se formaron como científicos. Congruente con este criterio, los estudiantes que publicaron solamente un trabajo tienen muy pocas citas. En cambio los 21 que publicaron varios trabajos obtuvieron un promedio de citas más alto y publicaron en revistas con mayor factor de impacto. El análisis únicamente incluyó citas externas, por lo que el aumento en el promedio de citas no se debe a auto-citas, esto sugiere que los estudiantes con dos o más trabajos tienen una mayor participación en el medio científico. Este estudio nos deja más preguntas que respuestas. Para empezar, el resultado fundamental es que solamente se forman como científicos un 21 % de los estudiantes de la maestría, ¿esta cifra es alta o baja? No conocemos cual es la tasa de formación de científicos en otros países. Sin embargo, resulta una eficiencia muy baja si tomamos en cuenta que los programas de maestría están inscritos en el PNPC, Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 esto implica que cuentan con programas de estudio dirigidos a promover la formación de científicos, profesores con doctorado, profesores miembros del SNI, además de que los alumnos contaron con una beca de manutención para dedicarse a sus estudios de tiempo completo. ¿Qué es lo que falla? ¿Por qué estas condiciones no logran formar una mayor cantidad de científicos? El problema resulta aún más grave cuando observamos que existe una gran variabilidad en los resultados por cada facultad. En Medicina se formaron 13 científicos (42 % de esa Facultad), en Biología 6 (18 % de esa Facultad) y en Ingeniería 2 (6 % de esa Facultad). Aunque en Medicina se forman más científicos, la cifra resulta también baja, pero la cifra es peor en Biología y es aún más baja en Ingeniería. ¿Qué factores promueven que se formen más científicos en Medicina, menos en Biología y solamente unos cuantos en Ingeniería? Una limitación de este estudio es que la muestra es pequeña, solamente incluye 100 estudiantes de 3 programas de maestría en ciencias. Sin embargo, constituye toda la generación que se encontraba cursando este nivel de estudios en ese momento y corresponde con la cantidad de estudiantes que se inscriben anualmente en estos programas de la UANL. A manera de reflexión, podemos plantear algunos aspectos que pueden estar involucrados con el problema de la formación del científico en México. En primer lugar, no se promueve de forma clara y sistemática la formación científica en ninguno de los niveles educativos. Prueba de ello es el bajo rendimiento en lectura, matemáticas y ciencias que se observa en los resultados de las pruebas de la OECD.23,24 Los estudiantes a nivel licenciatura carecen de nociones básicas acerca de la ciencia, por lo que la conciben como algo tedioso, alejado de la realidad y sin aplicaciones concretas en la vida real. Frecuentemente los estudiantes confunden la ciencia con los cursos de metodología, diseño de investigación y filosofía de la ciencia, materias que tienden a considerar tediosas e inútiles, lo cual contribuye a distorsionar aún más su concepción acerca de la ciencia. Son muy pocos los estudiantes que han colaborado activamente en un proyecto de investigación, bajo 51 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. la asesoría directa de un científico. Esta situación ocurría -algunas veces- cuando el alumno llevaba a cabo una tesis de licenciatura, sin embargo, la UANL recientemente eliminó la tesis como una opción de titulación, con lo que elevó notablemente la cantidad de egresados que obtienen el título (eficiencia terminal), pero prácticamente anuló esta vía de interacción de los alumnos con la ciencia. En síntesis, la licenciatura tampoco promueve una formación científica, sino que enfatiza la formación profesional técnica. Debido a estas condiciones son muy pocos los estudiantes que ingresan al posgrado con la meta de formarse como científicos. Algunos ingresan con la idea de que van a capacitarse mejor para el trabajo en el campo profesional. Otros, con la idea de que los grados académicos les darán acceso a un mejor salario al trabajar en el medio profesional. Otros, terminan su licenciatura y no encuentran empleo, por lo que se inscriben al posgrado para obtener un ingreso económico (beca) que les permita subsistir por algunos años. Algunos programas de posgrado invitan a los alumnos con los promedios más altos de calificaciones, esto logra atraer estudiantes entrenados a cumplir requisitos, más que estudiantes con vocación hacia la ciencia. Por otro lado, no existe continuidad real entre los programas de maestría y doctorado, por lo que podría dar mejores resultados contar con programas de doctorado de 5 años, dirigidos desde el inicio a la formación científica. Otro problema en la formación son las condiciones en que se lleva a cabo la ciencia en México, el presupuesto para la ciencia es muy bajo y hay pocos científicos que puedan fungir como tutores de los alumnos del posgrado. Los científicos que trabajan 52 en México, cuentan con poco tiempo para la ciencia y para asesorar a sus alumnos, ya que tienen que dedicarse a otras actividades. Generalmente no cuentan con un presupuesto para hacer ciencia, por lo que se dedican a buscar y gestionar constantemente financiamiento para sus proyectos de investigación. Además, la mayor parte de los científicos son profesores en las distintas universidades del país, en las que perciben salarios muy bajos. En consecuencia, para conseguir ingresos extras recurren a varios tipos de apoyo disponibles, pero ello conlleva un aumento en actividades diferentes a la investigación; como llenar solicitudes, mantener actualizado su curriculum, escribir informes, evaluar proyectos y programas académicos de posgrado. Por un lado, solicitan ser miembros del SNI, cuando obtienen este apoyo prácticamente duplican su salario base. Aplican también al “Programa de estímulos al desempeño del personal docente para el fortalecimiento de los cuerpos académicos”, si obtienen este apoyo pueden triplicar su salario base. Sin embargo, para lograr este ingreso extra el profesor tiene que aplicar a dos convocatorias: obtener una constancia de “Profesor con Reconocimiento a Perfil Deseable PROMEP” y formar parte de un “Cuerpo Académico”.25 Esto significa llenar más solicitudes y cumplir otros requisitos, como: participar en el programa de tutorías (orientación académica) para alumnos de licenciatura, elaborar programas académicos, evaluar programas de posgrado y participar en actividades administrativas en su Universidad. México cuenta con muy pocos científicos, los cuales son indispensables para desarrollar la ciencia que se requiere para promover el desarrollo económico del país. En consecuencia, es muy importante formar científicos. Este trabajo analiza cuántos científicos se forman desde que se inscriben en la maestría en ciencias, de acuerdo con las condiciones actuales de la Universidad y del país. El resultado es pobre: el posgrado en México está formando pocos científicos. Este tipo de retroalimentación puede resultar útil para establecer mejores condiciones para formar científicos. Frecuentemente se evalúan los resultados del posgrado en México por medio de correlaciones de la cantidad de egresados, con la cantidad de doctores que se encuentran trabajando en las universidades y la cantidad de miembros del Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. SNI. Esa estrategia de evaluación es insuficiente, el presente estudio demuestra que se requieren estudios de seguimiento, de tal forma que se pueda verificar cuantos egresados del posgrado se están formando como científicos, con criterios claros, basados en su producción dentro del campo de la ciencia. Este tipo de análisis puede resultar útil para evaluar los resultados de un programa de posgrado, en términos de su eficiencia real en la formación de científicos. AGRADECIMIENTOS Este proyecto fue financiado por el Programa de Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica, de la UANL, Proyecto PAICYT-UANL DS25799), agradecemos también las facilidades que nos proporcionaron las autoridades y los alumnos de las maestrías en ciencias de Medicina, Biología e Ingeniería de la UANL. REFERENCIAS 1. Morales Z.M.A. Gestión pública de la ciencia y la tecnología. Ciencia y Desarrollo, 1999, 146, 41-45. 2. Muñoz E.L.E. Reflexiones sobre la investigación científica en México. 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Paris: OECD Publishing, 2010. 21 Loyola D.R., Paredes L.O. Tecnología sin ciencia: la apuesta del Gobierno Federal. Emeequis, 2008, 145, 46-52. 22 Valdez P. Problemas en la formación del científico en México. Ingenierías, 2009, 12(43), 12-18. 23 Guichard S. The education challenge in Mexico: delivering good quality education to all. Paris: OECD publishing, 2005. 24 Hopkins D., Ahtaridou E., Matthews P., Posner C., Toledo F.D. An analysis of the mexican school system in light of the PISA 2006. Paris: OECD Publishing, 2007. 25 Carmona R., Reyes B.H. La cultura de lo aparente: las evaluaciones al mundo académico. Ciencia, 2009, 60(3), 54-58. 53 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas Arturo López Marure, Ariana Margarita Vázquez Almaguer, Luis Javier Andrade Cruz, Adrián Vázquez Vázquez Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada, Instituto Politécnico Nacional, Tamaulipas, México adrianvaz@hotmail.com RESUMEN Las emulsiones en la industria del petróleo son comúnmente mezclas de crudo, agua y productos químicos, y no son deseables. Se propone la separación de emulsiones con microondas como una alternativa para la deshidratación y desalación del petróleo. Por tal motivo se diseñó un equipo que permite evaluar el comportamiento de la temperatura de una emulsión cuando se expone a tratamiento por microondas y confirmar que se deshidrata y desala. PALABRAS CLAVES Microondas, desalado, emulsión, petróleo. ABSTRACT The emulsions in the oil industry are usually mixtures of oil, water and chemicals, and are not desirable. The separation of emulsions with microwaves is proposed as an alternative to oil dehydration and desalting. Therefore a device was designed to assess the temperature behavior of an emulsion when exposed to microwave treatment and confirm that is dehydrated and desalted. KEYWORDS Microwave, desalted, emulsion, oil. INTRODUCCIÓN En los últimos 30 años se han diseñado e implementado distintos equipos para la dispersión de fases inmiscibles como las emulsiones de agua y aceite.1,2 En la actualidad existen además una amplia gama de productos e industrias que producen emulsiones, tales como las industrias de alimentos, detergentes, productos farmacéuticos, cosméticos, pesticidas, la industria del petróleo y plantas de procesamiento de petróleo. También hay situaciones en que las emulsiones no se pueden evitar y se debe recurrir a diferentes técnicas para separar las dos fases, como en el caso de los procesos de producción y extracción de petróleo.3-5 Los yacimientos petroleros se encuentran con alto contenido de agua y aceite, y el agua por lo general contiene sales disueltas formando salmueras. El aceite y el agua al pasar a través de una válvula parcialmente abierta se mezclan y se forman emulsiones estables, generalmente del tipo agua en aceite.3,5 54 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas / Arturo López Marure, et al. Los métodos tradicionales para separar estas emulsiones incluyen calentamiento, descomposición microbiana, centrifugación y químicos, muchos de los cuales sólo ofrecen una separación parcial.1,6 Se plantea que el uso de microondas es una solución alternativa efectiva, limpia y libre de químicos al problema de la deshidratación y desalado de petróleo. Se demuestra en este trabajo que es posible utilizar las microondas en el deshidratado y desalado de petróleo como se hace con tratamientos que combinan el calentamiento por convección y fuerzas centrífugas. METODOLOGÍA El área de estudio se encuentra ubicada en los campos de extracción de petróleo localizados en la ciudad de Altamira, Tamaulipas, México. Se probaron dos tipos de muestras; 100% petróleo y 50-50% crudo-agua. Las variables a considerar fueron la temperatura de la emulsión durante la irradiación de microondas y el tiempo de irradiación. Se construyó un equipo que permitiera irradiar emulsiones y medir la temperatura, en un tiempo predeterminado. Se diseñó el módulo de medición de temperatura y el módulo de disparo del magnetrón. Módulo de medición de temperatura Para medir la temperatura de las muestras de petróleo se utilizó un sensor infrarrojo (Raytek modelo RAYTXSLTCF1) (figura 1), junto con el programa DataTemp Multidrop. El cual permite medir en tiempo real la temperatura mientras se están irradiando las muestras. Cabe señalar que la ventaja principal al medir la temperatura con el sensor infrarrojo, con respecto a sensores de fibra óptica o termopares,7 es que se puede medir la temperatura a distancia sin necesidad de que el sensor esté en contacto con la muestra a medir. Módulo de disparo del magnetrón El magnetrón opera a una frecuencia de trabajo de 2.45 GHz y a una potencia nominal de salida de 950 W. El módulo de disparo del magnetrón tiene una interfaz gráfica que controla el disparo del Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 magnetrón, el tiempo de duración de la irradiación de microondas, así como el muestreo (figura 2). El circuito de disparo del magnetrón se muestra en la figura 3, y está conectado por medio de un puerto USB. Fig. 1. Sensor infrarrojo. Fig. 2. Módulo de disparo y Medición de la temperatura. Fig. 3. Circuito de control de disparo del magnetrón. 55 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas / Arturo López Marure, et al. Simulación Se seleccionó el método de elementos finitos empleando el software COMSOL Multiphysics, empleando los módulos de Ondas Electromagnéticas (RF) y Convección y Conducción de Calor. Se utilizan las dimensiones de la cavidad donde se irradian las muestras de petróleo junto con las condiciones iniciales reales (figura 4). Se hicieron dos simulaciones: Crudo y Crudoagua (50-50) irradiadas durante 30 y 60 segundos cada una. La simulación fue corroborada mediante el dispositivo que se construyó y que se utilizó para hacer las pruebas. Se analizaron dos muestras de líquidos la primera crudo-agua y la segunda crudo recolectado de los campos de extracción de petróleo TamaulipasConstituciones, cada muestra de 50 ml y fue irradiada durante 30 segundos y 60 segundos y se midió su temperatura durante todo el tiempo de irradiación. Caracterización por espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier El presente análisis tiene como objetivo observar los cambios funcionales obtenidos después de irradiar muestras de crudo en el rango de microondas; es de especial interés observar el comportamiento de las resinas y asfaltenos, ya que son estos los estabilizadores naturales de las emulsiones de crudo en agua. De igual manera el grupo funcional de los OH, C=C y los C=O representan la solubilidad de los hidrocarburos con el agua tanto por los puentes de hidrógeno que suelen presentarse como su comportamiento polar frente a un campo magnético. Se ha comprobado en otros trabajos que, los asfaltenos y resinas, estabilizan las emulsiones de crudo. La estabilidad de la emulsión no solo se define por la naturaleza química de los asfaltenos y resinas presentes en los crudos que varían en relación del yacimiento petrolero de origen, sino también por la capacidad de dispersión de estos materiales y la viscosidad del crudo mismo. Siendo los crudos pesados los de mayor grado de estabilidad en las emulsiones con agua por su alto contenido de estos grupos orgánicos. RESULTADOS Muestra de crudo-agua irradiada durante 30 segundos La muestra fue tomada directamente de la cisterna de la planta de inyección del campo TamaulipasConstituciones, ver figura 5. Ésta tenía alto contenido de crudo, por lo que se diluyó a un 50 % de agua de inyección y un 50 % de crudo, teniendo una temperatura inicial de 27 °C, y se irradió durante 30 segundos llegando a una temperatura final de 42 °C (figura 6). Fig. 5. Muestras de Agua-Crudo (50-50). Fig. 4. Esquema del equipo de irradiación de microondas en COMSOL Multiphysics. 56 Muestra de crudo-agua irradiada durante 60 segundos Con una temperatura inicial de 26 °C y una temperatura final de 140 °C, se irradió una muestra durante 60 segundos (figura 7), y se observó que el Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas / Arturo López Marure, et al. Fig. 6. Muestra de Agua-Crudo Irradiada durante 30 segundos. Fig. 7. Muestra de Agua-Crudo Irradiada durante 60 segundos. Fig. 8. Muestras de Crudo. Fig. 9. Muestra de Crudo Irradiada durante 30 segundos. gradiente de temperatura es de 114 °C, visualizándose un incremento considerable en la temperatura en el segundo 25. Muestra de Crudo irradiada durante 30 segundos La muestra de la figura 8, fue tomada directamente de la cisterna de la planta de inyección del campo Tamaulipas-Constituciones, no se diluyó, y se tenía una temperatura inicial de 25 °C, posteriormente fue irradiada durante 30 segundos llegando a una temperatura final de 53 °C (figura 9). Muestra de Crudo irradiada durante 60 segundos Con una temperatura inicial de 26 °C y una temperatura final de 105 °C, se irradió una muestra durante 60 segundos (figura 10), se observa que el gradiente de temperatura comparada con la muestra de crudo-agua (50-50), irradiada durante 60 segundos es de -35 °C. Con esto se puede concluir que la relación Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 10. Muestra de Crudo Irradiada durante 60 segundos. crudo-agua tiene un papel importante en el proceso de calentamiento de emulsiones de crudo-agua y por consiguiente, en el proceso de deshidratación. En la tabla I se muestran una comparación de las diferentes muestras que fueron irradiadas observándose un incremento de temperatura mayor en la emulsión de crudo-agua (50-50), al ser irradiada durante 60 segundos y de acuerdo al perfil de temperatura de la figura 7, un cambio en las 57 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas / Arturo López Marure, et al. Tabla I.- Tabla comparativa de muestras irradiadas. Muestras de 50 ml Muestra de Crudo-Agua (50-50%) Muestra de Crudo-Agua (50-50%) Muestra de Crudo Muestra de Crudo Tiempo de Temperatura Temperatura Irradiación Inicial (°C) final (°C) (s) 30s 27 42 60s 26 140 30s 25 53 60s 26 105 propiedades físico-químicas de la muestras lo cual es corroborado por FTIR en la figura 11. Espectros de FTIR Se caracterizaron las muestras por FTIR antes de ser irradiado, y posteriormente a los 30 y 60 segundos de ser irradiados. Los grupos funcionales principales de absorción para las resinas y asfaltenos son cualitativamente idénticos. En los espectros obtenidos se pueden identificar los grupos funcionales listados en la tabla II. De acuerdo con los cambios de intensidad de las bandas de absorción después de interacción con la radiación de microondas (figura 11) se puede resumir que se produce: • Un aumento en el contenido de estructuras aromáticas, que se manifiesta en una mayor intensidad de las bandas en las regiones 1600, 3040, 870, 815 y 750 cm-1. Esto también puede relacionarse con un aumento en el grado de sustitución del hidrógeno en las estructuras aromáticas. • Un aumento en el contenido de (nafténicos) alifáticos y alicíclicos principalmente a expensas de los grupos CH2, como lo indica el aumento de la intensidad de las bandas en la región 2930, 2860 y 1470 cm-1 y del doblete en 730 - 720 cm-1. Un aumento en el número de grupos CH3 se indica mediante el fortalecimiento de la banda en la región de 1380 cm-1 y un crecimiento en el “valle” en 2950 cm-1. • Un aumento importante presenta la banda del grupo funcional OH a los 3400 cm-1 y en la 58 Tabla II. Grupos funcionales orgánicos de los espectros FTIR de Crudo. 1 2 3 4 5 N° de onda 3400 cm-1 3059 cm-1 2953 cm-1 2920 cm-1 2850 cm-1 Grupo OH =CH, =CH2 CH3 =CH2 CH3 6 2732 cm-1 C-H 7 1774 cm-1 C=O 8 1642 cm-1 NH2 9 1600 cm-1 C=C 10 1455 cm-1 CH3=CH2 11 12 1375 cm-1 1308 cm-1 CH3 S=O 13 1250 cm-1 C-O 14 15 1175 cm-1 1100 cm-1 C=S C-N 16 1032 cm-1 C-N 17 949 cm-1 =CH 18 871 cm-1 =CH 19 20 21 815 cm-1 750 cm-1 720 cm-1 =CH C-H 4(CH2) Descripción Alcoholes aromáticos metilo metilenos metilo hidrógeno aldehidico esteres ácidos y anhidro ácido aromáticos compuestos aromáticos metilo y metileno metilos sulfuros ácidos carboxilicos Amina en anillo Amina aromático sustituido aeromático sustituido Alquenos aromáticos Anillo Anillo metilenos Fig. 11. Espectros FTIR de las muestras de crudo agua. región 1774 cm-1 correspondiente a C=O. Esto se atribuye a la recuperación de compuestos polares solubilizados en el agua de inyección, como lo son alcoholes ésteres, ácidos y anhídrido ácidos. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas / Arturo López Marure, et al. • El aumento de las bandas pertenecientes a la región comprendida en 1350 a 1000 cm-1, se traduce como un aumento de asfaltenos recuperados del agua de inyección durante la irradiación de microondas. SIMULACIÓN Mediante los datos obtenidos en laboratorio es posible validar el modelo propuesto por el simulador. En las figuras 10 y 11 se muestra el resultado de esta simulación después de introducir todas las condiciones iniciales, tales como: Temperatura inicial, Dimensiones del recipiente, cavidad, Potencia y Frecuencia del Magnetrón, Materiales y formas geométricas de todos los elementos que integran el dispositivo. Fig. 12. Visualización en 3D de la irradiación de Crudo -Agua (50-50) durante 60 segundos. Simulación de Crudo-Agua (50-50) irradiada durante 60 segundos En la figura 12 se muestra la simulación de la irradiación de crudo-agua, se consideró una temperatura inicial de 26 °C, se irradiaron durante 60 segundos 50 ml de crudo-agua, se observa una temperatura final de 130 °C en el centro de la base del recipiente; comparándola con los datos obtenidos experimentalmente en el cual se midió una temperatura final de 140 °C (figura 7), se puede ver que el modelo que utiliza el simulador se comporta de manera similar, permitiendo predecir el comportamiento de la temperatura dentro de la emulsión para así poder simular el equipo antes de construirlo. Simulación de Crudo irradiado durante 60 segundos En la figura 13 se muestra la simulación de la irradiación de crudo durante 60 segundos llegando a una temperatura final de 100 °C, se observa que el calentamiento se comporta de diferente manera con respecto a las muestras anteriores, propagándose el calentamiento por las paredes del recipiente, esto se debe al bajo valor de la constante dieléctrica del material lo cual no permite que las microondas penetren al centro del material, calentando primeramente el líquido que se encuentra en las paredes del recipiente. Lo anterior nos dará una idea de cómo calentar el líquido dependiendo de Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 13. Visualización en 3D de la irradiación de Crudo durante 60 segundos. su constante dieléctrica, cuál va ser la propagación de las microondas y la forma geométrica de la cavidad resonante, para obtener la mayor eficiencia energética en la separación del agua-aceite. CONCLUSIONES Mediante el módulo de temperatura y con el sensor infrarrojo se mide la temperatura en tiempo real y sin necesidad de introducir ningún sensor dentro de la muestra ya que esto contaminaría la 59 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas / Arturo López Marure, et al. muestra o el crudo dañaría al sensor. Mediante este módulo se puede visualizar la señal representativa de la temperatura y hacer un historial, para ser estudiadas posteriormente. Con el módulo de disparo del magnetrón se puede programar mediante la interfaz gráfica el tiempo o los intervalos de tiempo que se quiere que las muestras sean irradiadas, y hacer un paro por emergencias si la temperatura eleva los límites establecidos previamente y así tener el proceso de calentamiento por microondas bajo control. El crudo, después de ser irradiado con microondas, cualitativamente conserva los grupos funcionales que lo integran, solo existen modificaciones cuantitativas que se asumen por la recuperación de compuestos solubles en el agua de inyección. El aumento de intensidad del grupo OH (3400 -1 cm ) y C=O (1774 cm-1) confirma la recuperación de compuestos polares solubles en el agua de inyección. Los asfaltenos, principales estabilizadores de emulsiones, presentes en el agua de inyección se recuperan. Los espectros demuestran que el tiempo de irradiación correspondiente a 30 segundos arrojó mejores resultados de recuperación de hidrocarburos disueltos. Al simular el equipo para el calentamiento de emulsiones de petróleo por medio de microondas para el deshidratado y desalado de petróleo en COMSOL Multiphysics se comprueba que el modelo matemático que implementa el simulador se comporta de forma similar al proceso real ayudándonos a entender la interacción de las microondas con los líquidos y obteniendo una herramienta imprescindible en el diseño del equipo 60 para la industria petrolera especialmente para el deshidratado y desalado de petróleo. AGRADECIMIENTOS Se agradece al Grupo de Modelación Matemática y Computacional de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en especial al Dr. Ismael Herrera Revilla. REFERENCIAS 1. M. Clausse and P. Becher, Encyclopedia of emulsion technology. New York: Marcel Dekker Ltd., 1985. 2. M. T. Toral, Fisicoquímica de superficies y sistemas dispersos: Ed. URMO, 1985. 3. S. Kokal and S. Aramco, Crude oil emulsions: A state of the art review, in Society of Petroleum Engineers SPE 77497 paper presented at the Annual Technical Conference and Exhibition held Texas, 2002, pp. 1-11. 4. C. Vega and M. Delgado, Treatment of waste-water/ oil emulsions usign microwave radiation, in Society of Petroleum Engineers SPE 74167 paper presented at the Conference on Health Safety and Enviromental in Oil and Gas Exploration and Production held in Kulua Lumpur-Malasya 2002, pp. 1-12. 5. L. L. Schramm, Emulsions: Fundamentals and applications in the petroleum industry. Washington D.C.: American Chemistry Society, 1992. 6. P. Rajinder, Techniques for measuring the composition (oil and water content) of emulsions - a state of the art review, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol. 84, pp. 141-193, 1994. 7. Fabián Ortiz, Medición en línea de la temperatura de una muestra en una cavidad de microondas, 2010. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman José Antonio De la O Serna, Johnny Rodríguez Maldonado Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL jdelao@ieee.org RESUMEN La matriz de transición de estados que aproxima un polinomio de Taylor de orden K a la envolvente compleja y sus primeras derivadas conduce a una pluralidad de representaciones de la señal pasabanda de una oscilación en un sistema de potencia. Disponiendo del vector de estados con las derivadas del polinomio, es posible aplicar el algoritmo de Kalman a estos modelos de señal truncados y obtener observadores (filtros) capaces de estimar el fasor dinámico y sus derivadas. Las estimaciones obtenidas con esta técnica son instantáneas (sin retraso), un atributo importante para aplicaciones de control o de monitoreo síncrono. Además, las estimaciones incluyen a la frecuencia, variable crucial para determinar la inestabilidad del sistema. El nuevo filtro reduce el vector total de error conseguido con el filtro tradicional de Kalman, es mucho más estable, y con transitorios cinco veces más cortos; además mejora las estimaciones fasoriales de oscilaciones con fluctuaciones de frecuencia. PALABRAS CLAVE Fasor dinámico, filtro de Kalman, observadores, filtros digitales, estimación de estados, estimación de frecuencia, sincrofasores, protecciones, redes de área amplia. ABSTRACT The state-transition matrix of the K-th order Taylor approximation to the dynamic phasor and its first derivatives leads to a plurality of state-space representations to approach the bandpass signal model of a power oscillation. With these truncated signal models, the Kalman filter algorithm can be applied to their state vectors in order to find observers able to estimate the dynamic phasor and its first derivatives. The estimates obtained through this technique, from oscillatory signals, are not only instantaneous (no delay) but also synchronous, an important attribute for control applications. They also provide frequency estimates. The new filters reduce the total vector error achieved with the traditional Kalman filter; are much more stable, with settling times five times lower; and improve the phasor estimates of oscillations with frequency offset. KEYWORDS Dynamic phasor estimation, frequency estimation, synchrophasors, Kalman filter, Fourier filter, power system measurements and protection, wide area networks, state estimation. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 61 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. INTRODUCCIÓN La estimación del fasor bajo condiciones transitorias es un tema común hoy en día debido a la reciente revisión del estándar de sincrofasores.1 Por un lado, la introducción de las condiciones dinámicas para el concepto clásico del fasor rompe con un viejo esquema fundamental y muy útil en la ingeniería de potencia. Por el otro, se carece de una teoría unificadora que explique la conducta y la relación entre las diferentes técnicas de estimación fasorial, con la cual se pueda recomendar la mejor. Hay muchos algoritmos de estimación fasorial bajo condiciones transitorias. Aun cuando la norma1 no especifica el método de estimación fasorial,2 menciona (Anexo C) tres de estos como ejemplo: El filtro de Fourier de un ciclo,3 el de respuesta plana de tres ciclos,4 y el Coseno Elevado (RCF) de cuatro ciclos.5 Los esfuerzos para mejorar el primer método bajo condiciones transitorias, y en vista de la estimación de frecuencia, se han reportado en 6,7 y 8. El concepto de fasor dinámico fue propuesto primeramente por 9 para seguir la dinámica de las desviaciones de periodicidad de señal en corriente y voltaje en los sistemas de potencia. Se define como la estimación del primer coeficiente de Fourier con la transformada discreta de Fourier de un ciclo, que utiliza el mismo modelo de señal estática del filtro de Fourier .3 Fue en 10,11 donde se sugirió una mejora de la estimación, relajando la restrictiva suposición de amplitud y fase constante del fasor estático por una función suave de banda limitada. Este relajamiento estableció un modelo de fasor de señal fluctuante. La posibilidad de aproximar el fasor dinámico con un polinomio de Taylor mediante el método de mínimos cuadrados, condujo a la inclusión de términos de Taylor en la transformada de Fourier. Esta técnica, llamada Transformada Taylor-Fourier,12 utiliza mínimos cuadrados ponderados (WLS, weighted least squares) y obtiene filtros de respuesta impulsional finita (FIR). Estos proporcionan una mejor aproximación (en el sentido de mínimos cuadrados) no sólo del fasor, sino además de sus primeras derivadas, a la mitad de la ventana temporal de observación. Este retraso de la estimación es precisamente uno de los inconvenientes de esta técnica, debido a la extensión temporal de los vectores componentes del modelo de señal. 62 La idea principal de este artículo es usar el filtro de Kalman como un observador capaz de construir (estimar) la señal de entrada con el fasor dinámico y sus derivadas en un vector de espacio de estados. La idea se basa en el hecho de que el filtro de Kalman es muy buen estimador de señal, siempre y cuando su modelo se ajuste a la señal de entrada. En nuestro caso, las estimaciones instantáneas dependen sólo del fasor instantáneo y su complejo conjugado. Y ya para el modelo de segundo orden, las estimaciones son muy buenas. El filtro de Kalman se propuso originalmente para estimación fasorial en aplicaciones de protecciones en las referencias13,14. El problema es que su uso se vinculó intrínsecamente con el viejo modelo de fasor estático, ejemplo de ello se puede confirmar en las referencias15,16,17. Esto además explica porqué las publicaciones subsecuentes18,19 se refieren al filtro de Kalman como si se tratara de uno solo. En la referencia3, por ejemplo, el filtro de Kalman se comparó con el filtro de Fourier de medio ciclo donde el ruido del sistema es nulo y el ruido en la señal es constante; y desde entonces, el filtro de Fourier prevaleció sobre el filtro de Kalman en las subsecuentes publicaciones de estimación fasorial. Pero esta comparación no toma en cuenta que las estimaciones fasoriales proporcionadas por la descomposición de señal de Fourier tienen retardo, mientras que las obtenidas por la descomposición de la señal a través de Kalman son instantáneas. Además, es bien conocido que la estimación del filtro de Kalman depende fundamentalmente del modelo en espacio de estados de la señal,20 y su extraordinario desempeño cuando éste coincide con la señal de entrada. En este artículo (cuya versión en inglés se puede encontrar en la referencia 21) se presentan los resultados del uso del algoritmo de filtro de Kalman para estimar no sólo el fasor dinámico, sino también sus derivadas. El modelo de señal en espacio de estados usado en el corazón del algoritmo de Kalman se obtiene de las derivadas del polinomio de Taylor del K-ésimo orden aproximado a la envolvente compleja de la oscilación. Esto corresponde a la aproximación de Taylor para una señal compleja pasa banda. Su modulación se obtiene mediante una simple rotación en el plano complejo a la frecuencia fundamental. Su principal contribución consiste Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. en aportar la matriz de transición de estados para aproximar un polinomio de Taylor de orden K a las variaciones de amplitud y fase, entre una muestra de la señal y la siguiente, al ser procesadas por el filtro de Kalman. Esta flexibilidad dinámica le permite al filtro de Kalman estimar señales oscilatorias con gran precisión y, al mismo tiempo, proveer estimaciones instantáneas no sólo del fasor, sino también de sus derivadas, incluidas en el vector de estados. Las estimaciones obtenidas en un ejemplo real con fluctuaciones, y en las señales de prueba ilustradas en la referencia1 muestran la mejora obtenida con esta nueva técnica de estimación fasorial. La nueva aproximación es muy diferente a la reportada en7 que estima la frecuencia dinámica de dos estimaciones consecutivas del fasor usando ecuaciones diferenciales finitas. En esta solución, el error debido a las condiciones dinámicas se agrega a la gran sensibilidad del ruido de las ecuaciones en diferencias finitas. El artículo está organizado como sigue: En la sección 2, se obtiene y describe el espacio de estados del modelo de señal. Después, en la sección 3, se declaran las ecuaciones del filtro de Kalman tal como se implementaron en este artículo, junto con sus principales referencias. Finalmente, en la sección 4, se presentan y discuten los resultados obtenidos con el modelo de señal de orden cero y dos. La principal conclusión es que el filtro de Kalman es capaz de proveer buenas estimaciones instantáneas (sincronizada y sin retraso) no sólo del fasor, sino también de sus primeras derivadas. Estos resultados son prometedores y sin duda tendrán un impacto positivo sobre la conformación de la nueva norma de sincrofasores. MODELO DE SEÑAL En 10,11 se propuso el modelo de una señal pasabanda para sistemas de potencia oscilatorios: s (t ) = a (t )cos (2πf1t + ϕ(t )) (1) en donde a(t) es la amplitud y φ(t) la fase de la señal s(t). Se asume que la señal pasabanda es de banda estrecha alrededor de la frecuencia central f1. Esto significa que las variaciones de amplitud y fase son suaves con respecto a la onda cíclica. En términos de la función exponencial compleja el modelo de señal puede simplificarse como: Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 s (t ) = (p(t )e 2 1 j 2 πf1t = R{ p (t )e j 2 πf1t } + p (t )e − j 2 πf1t − T ≤t≤ ) T (2) 2 2 donde p(t)=a(t)ejφ(t) es el fasor dinámico. Es posible aproximar a la función compleja del fasor dinámico p(t), con un polinomio de Taylor de orden K centrado en t0: pK = p (t0 ) + p� (t0 )(t − t0 ) +…+ p ( K ) (t0 ) t0 − T ≤ t ≤ t0 + (t − t 0 ) K K! T (3) 2 2 La matriz de transición de estados se obtiene fácilmente derivando sucesivamente el polinomio de Taylor. Para τ=t-t0 tenemos: τ2 τK � t0 )τ + �� pK (t ) = p (t0 ) + p( p (t0 ) +…+ p K (t0 ) 2! K! p� K (t ) = p� (t0 ) + �� p (t0 )τ +…+ p K (t0 ) τ K −1 (4) ( K − 1)! pKK (t ) = p K (t0 ) Finalmente, la transición de estados es dada por: pk (t ) = Φ k (τ) pk (t0 ) (5) donde pk(t) es el vector de estados y la matriz de transición es de la forma: ⎛ τ2 τK ⎞ … ⎜1 τ ⎟ K! ⎟ 2! ⎜ ⎜ τ K −1 ⎟ ⎜ 1 τ … ⎟ ( K − 1)! ⎟ ⎜ (6) Φ K (τ) = ⎜ τK −2 ⎟ ⎜ ⎟ 1 … ( K − 2)! ⎟ ⎜ ⎜ ⎟ % # ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 1 ⎝ ⎠ Para un orden polinomial dado, la aproximación es más exacta cuando t→t0 si p(t) es una función suave. El modelo truncado puede aplicarse en el instante de tiempo t0 con suficiente precisión a condición de que el intervalo τ sea pequeño. Esta condición se logra entre dos muestras digitales de la señal ya que generalmente se aplica un periodo de muestreo mucho más corto que el periodo fundamental T1 = 1 . En este artículo se asume que f1 63 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. la señal es muestreada a N1=64 muestras por ciclo, de esta manera τ = T1 / 64 . Este es un periodo de tiempo muy corto con respecto a las fluctuaciones lentas de p(t), presentes en el sistema de potencia. El modelo truncado de señal es dado por: sK (t ) = R{hT pK (t )e j 2 πf1t } = R{hT rK (t )} (7) donde r(t) es la versión rotada del fasor dinámico y hT=[10ø...ø], con K ceros. Asumiendo t0=(n-1)τ y t=nτ, tenemos la siguiente transición de estados entre los vectores discretos rotados: rK (n) = Φ K (τ)ψ1rK (n − 1) (8) jθ1 donde ψ1 es el factor de fase ψ1=e , correspondiente a la frecuencia fundamental (θ 1=2 f 1τ=2 /N 1). Finalmente, para definir la ecuación de transición de estados como: 0 ⎛ rK (n) ⎞ ⎛ ψ1Φ K (τ) ⎞⎛ rK (n − 1) ⎞ ⎜ ⎟=⎜ ⎟⎜ ⎟ (9) ψ1Φ K (τ) ⎠⎝ rK (n − 1) ⎠ 0 ⎝ rK (n) ⎠ ⎝ el modelo truncado de la señal es dado por: ⎛ r ( n) ⎞ 1 (10) sK (n) = hT hT ⎜ K ⎟ 2 ⎝ rK (n) ⎠ Estas ecuaciones muestran la dependencia instantánea del modelo de señal sobre el fasor dinámico. El filtro Taylor-Kalman es un seguidor de señal que efectúa una descomposición instantánea de señal en sus diferentes componentes fasoriales. Las mejores estimaciones fasoriales se obtienen cuando se alcanza el menor error de estimación de señal, y esto sucede cuando la señal de entrada está en el subespacio generado por el modelo de señal. Este es precisamente el caso de oscilaciones suaves en el subespacio de segundo orden (K=2), como veremos en los resultados numéricos, en donde se alcanzan errores de estimación de señal de millonésimas. La matriz de transición en (9) es 2(K+1)x2(K+1) y trabaja con el fasor girado (o modulado), por lo que para obtener las estimaciones fasoriales, se deben antirrotar las del filtro de Kalman. Note que el modelo en espacio de estados de la ecuación (9) contiene información genética del desarrollo de la trayectoria de una muestra a la siguiente. El modelo de la señal en espacio de estados (K=0) obliga al fasor a moverse en círculos de una muestra a la siguiente. Con la matriz de transición de estados de Taylor en (6), permite la estimación del fasor con mayor flexibilidad en las trayectorias, limitadas por el término de orden más alto en el polinomio. ( 64 ) En la siguiente sección, consideraremos cómo se usa este modelo de señal truncada en el filtro de Kalman. Este filtro descompone la señal de entrada en los componentes del vector de estados. La descomposición de Kalman y sus estimaciones son instantáneas, sin el retraso implícito de la descomposición del filtro de Fourier. FILTRO DE KALMAN En esta sección se adopta el desarrollo del filtro de Kalman en,22 pp.381-384. Otras referencias se pueden encontrar en.23,20,3 El modelo del vector de estados es: x (n) = Φx (n − 1) + Γv(n) (11) en el cual la matriz de transición y el vector de estados se definen en (9), y ΓT=(hThT), donde v(n) es un ruido blanco gaussiano (WGN) que afecta solo los componentes del fasor rotado, i.e., las derivadas no son afectados por el ruido. Por otro lado, la observación (o medición) del modelo es: s (n) = Hx (n) + w(n) (12) Asumiendo que la señal es afectada por un ruido aditivo WGN en w(n). Finalmente, del modelo de señal en (10), se tiene que H = 1 (hT hT ) . 2 El proceso recursivo de Kalman se define mediante la siguiente secuencia para el n-ésimo ciclo: 1. Predicción (a) Predicción del estado xˆ − (n) = Φxˆ (n − 1) (13) (b) Error de covarianza a priori P − (n) = ΦP (n − 1)Φ H + ΓΓT σv2 (14) Medición 2. (a) Ganancia de Kalman K (n) = P − (n) H T ( HP − (n) H T + σ 2w ) −1 (15) (b) Actualización del estado xˆ (n) = xˆ − (n) + K (n)( s (n) − Hxˆ − (n)) (16) (c) Error de covarianza a posteriori P ( n) = ( I − K ( n) H ) P − ( n) (17) 2 2 Donde σv y σ w son la varianza de la entrada y del ruido en la medición respectivamente. El proceso comienza con x(0)=0 y P(0)=109I para las condiciones iniciales desconocidas de estado en la matriz de covarianza. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. RESULTADOS NUMÉRICOS Señal de prueba La señal en (1) se toma como señal de prueba con la siguientes funciones de amplitud y fase: a (t ) = a0 + a1 sin (2πf a t ) (18) ϕ(t ) = ϕ0 + ϕ1 sin (2πf ϕt ) (19) Con los siguientes parámetros en amplitud: a0=1, a1=0.1, y fa=5 Hz; fase:φ0=1, φ1=0.1, fφ=5 Hz; y ruidos: σv2 = 0.01 , y σ 2w = 10−4 , que corresponden a una relación señal a ruido (SNR) de 37 dB, correspondientes a una conversión de análogo a digital de 6 bits. Además del ruido blanco, los algoritmos se probaron con ruido rosa 24 y básicamente con los mismos umbrales de error, y se encontró básicamente el mismo comportamiento. Merece la pena mencionar que el estándar1 no contiene ninguna especificación involucrada con respecto a la conversión análogo digital de la señal de entrada,2 y menos aún alguna referencia a los diferentes tipos de ruido. Modelo de orden cero Los siguientes resultados son obtenidos con el modelo truncado de orden cero Φ0. Como se puede ver en figura 1, el filtro de Kalman con la matriz de transición de estados de orden cero proporciona una buena estimación de señal. Logrando errores de estimación de señal del orden de 10-5. Desafortunadamente, el problema no consiste en estimar la señal de entrada, sino su fasor. Fig. 1. Señal estimada y error estimado con el modelo de señal de orden cero. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 2. Fasor estimado. Amplitud y fase estimados usando el modelo de señal de orden cero. Las componentes de amplitud y fase ideales son mostradas en figura 2 con línea azul, mientras sus estimaciones con línea verde. La estimación exhibe un comportamiento indeseable corrugado similar a la infiltración en el célebre filtro de Fourier de un ciclo (ver figura 5 en la referencia5 ). Este comportamiento se percibe con mayor claridad en la trayectoria seguida en el plano complejo por las estimaciones mostradas en figura 3. Las ganancias de Kalman son reales y convergen en 0.9902 después de los tres primeros ciclos fundamentales. La figura 4 muestra el comportamiento del vector total de error (TVE, Total Vector Error), que es similar al de la figura 10 en la Fig. 3. Trayectoria del fasor complejo (línea azul) y estimación (linea verde) producida con el modelo de señal de orden cero. 65 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. Fig. 4. Vector total de error conseguido con el modelo truncado de orden cero. Fig. 5. Señal estimada y error estimado obtenidos con el modelo de señal de segundo orden. Como se puede ver en la figura 5, la estimación de la señal se ha mejorado. Con el modelo de segundo orden de señal, el error se reduce por un factor de diez. El aumento del orden del polinomio de Taylor mejora también la estimación del fasor, que ahora está más cerca de la amplitud real y secuencia de fase como se puede ver en la figura 6. Es evidente que el efecto corrugado en las estimaciones previas ha desaparecido. Este efecto puede confirmarse en la figura 7, que muestra una trayectoria compleja suave cerca de la real dada por la línea azul. Finalmente, se muestra la evolución del TVE en la figura 8, que se ha reducido por un factor de diez con respecto al del caso previo. Fig. 6. Estimación del fasor. Amplitud y fase estimados con modelo de señal de segundo orden. referencia 5. Como se puede ver, incluso si el filtro de Kalman proporciona buenas estimaciones de señal con el modelo de orden cero, la estimación del fasor no es tan buena como se quisiera. Además, con el modelo de orden cero es imposible estimar la velocidad y aceleración del fasor. En la siguiente subsección se muestra cómo se mejoran las estimaciones con el filtro de Kalman con el modelo de señal de segundo orden. Modelo de segundo orden Los siguientes resultados se obtuvieron con el modelo de segundo orden (Φ2). La matriz de transición de estados es ahora de 6 x 6 elementos. Se aplican los mismos niveles de ruido del caso anterior, σv2 = 0.001 y σ 2w = 10−4 , y las mismos valores de inicio para la matriz de covarianza P(0). 66 Fig. 7. Trayectoria del fasor complejo (linea azul) y estimación (linea verde) obtenidas con el modelo de señal de segundo orden. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. Fig. 8. Vector total de error (TVE) conseguido con el modelo truncado de segundo orden. Con el modelo de segundo orden es posible obtener las primeras derivadas de la estimación del fasor como se puede ver en la figura 9, en donde se muestran la primera derivada de amplitud y fase (línea azul) con sus estimados (línea verde). Estas derivadas corresponden a la velocidad de amplitud de la oscilación y la fluctuación de frecuencia (con respecto a la frecuencia fundamental) respectivamente. Está claro que estas estimaciones no son tan lisas como las estimaciones del fasor, debido a su comportamiento vibratorio. Sin embargo, estos resultados son mejores que los que se muestran en la referencia 20, capítulo 5, figura 5,17. El efecto vibratorio es más evidente en figura 10, que ilustra el error de la estimación normalizado rms error (NRMSE) de la velocidad y el Fig. 9. Estimación de la primera derivada del fasor. Velocidad y frecuencia estimadas obtenidas con el modelo de señal de segundo orden. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 10. Normalización del error de velocidad y frecuencia obtenidos con el modelo de segundo orden. cálculo de fluctuación de frecuencia, igual a 0.0332 y 0.0560, respectivamente. La señal de error se reduce diez veces más con el modelo de cuarto orden, sin embargo la reducción del nivel de TVE y NRMSE no es tan notable, si además se tiene en cuenta el aumento en complejidad numérica del modelo de señal. El vector de ganancias de Kalman de este ejemplo se congeló al alcanzar el primer estado estable, como se puede ver en en figura 11. Después de ese intervalo en estado estable, las ganancias varían nuevamente, y la conducta de las estimaciones se degrada a una muy similar a la del modelo de orden cero. El vector de ganancias es el siguiente: K=(0.99208-1.6051i, 167.21-406.19i, 8538.9-4,4603.0i)T. Las ganancias de la segunda mitad son simplemente el complejo conjugado de las primeras. Fig. 11. Magnitud de los elementos del vector ganancia del filtro Kalman. 67 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. Reducción del TVE Es interesante analizar el comportamiento del TVE cuando la frecuencia de muestreo varía o el orden del polinomio de Taylor usado en el modelo de señal cambia. La figura 12 muestra la raíz cuadrática media (root mean square, rms) del TVE en por ciento. El rms se define como: 1 N rms (TVE ) = TVEn2 (20) N n =1 por las muestras en un número entero de ciclos. Esta es una buena medida de la media del error (dado en %). Como se puede ver en la figura, los niveles de error son similares para K=0, y 1; y para K=2,3, y 4. Este comportamiento indica que el término al cuadrado de Taylor en el modelo de la señal es crucial para reducir el error de la estimación fasorial. El término impar no reduce el error de estimación fasorial. Descubrimos que a partir del segundo orden las estimaciones fasoriales del filtro de Kalman son instantáneas, y que el error de las estimaciones de orden inferior a dos se debe principalmente a un retraso. El aumento lento del nivel de error en las frecuencias de muestreo más altas, en la segunda curva, se explica por un ligero aumento en la sensibilidad al ruido en las altas frecuencias. Por otro lado, también se observó que las estimaciones de las derivadas se mejoran cuando el orden del polinomio de Taylor se incrementa. En el caso de K=0,1, las ganancias de Kalman convergen rápidamente a valores constantes, sin embargo con K=2,3 y 4, dichas ganancias tienen un comportamiento de estado estable como se muestra Respuesta al escalón de magnitud y fase Para ilustrar la respuesta transitoria del filtro, se considera la respuesta a un escalón de amplitud y fase citado en la referencia 1, anexo G.2 y G3. La figura 13 ilustra la respuesta transitoria de las estimaciones de amplitud y fase obtenidas con los filtros de Kalman con modelos de cero y segundo orden. El filtro de orden cero produce largas oscilaciones en la estimación de amplitud, que corresponden a la trayectoria espiral en el plano complejo que termina en el valor final del fasor, como se puede ver en la figura 14. Esta transición dura alrededor de doce ciclos, indicando la presencia de polos resonantes cerca del círculo unitario en el plano complejo. La transición del filtro de segundo orden es de mucho menor amplitud y más corta (alrededor de dos ciclos) que la anterior. Finalmente, las estimaciones de la primera derivada del fasor proporcionada por el filtro de segundo orden se ilustran en la figura 15. Es evidente que la respuesta transitoria de las derivadas de magnitud y fase duran también alrededor de dos ciclos, con valores de estimación grandes cerca del origen, como era de esperarse de la derivada de un cambio tipo escalón. Esta tiene valores grandes debido a la discontinuidad en cero de la señal de Fig. 12. Raíz de la media cuadrática del TVE (en %) como una función de frecuencia de muestreo (M=2m muestras por ciclo) y del grado K del polinomio de Taylor. Fig. 13. Estimaciones de magnitud y fase obtenidas con el filtro de Kalman de segundo orden. ∑ 68 en la figura 11 en la misma posición de tiempo pero a diferente índice de muestreo sobre la frecuencia de muestreo. Todos estos observadores de Kalman usaron las ganancias de Kalman logradas en el centro del periodo en estado estable. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. Fig. 14. Estimaciones de magnitud y fase proporcionadas por el filtro de Kalman de segundo orden. Fig. 16. Estimaciones de amplitud y fase de una señal con escalón en frecuencia, obtenidas con el filtro de Kalman de segundo orden. de la estimación fasorial en el plano complejo. El filtro de orden cero produce considerables errores de magnitud como se puede ver en la trayectoria seguida en el plano complejo. Finalmente, la figura 18 muestra la estimación de la derivada del fasor con el filtro de segundo orden. Note que la frecuencia estimada converge al escalón en frecuencia ideal después de dos ciclos. Sin embargo un error perceptible es inevitable debido al hecho del escalón en frecuencia de la señal está fuera del modelo de señal. Los pequeños cambios después del segundo ciclo son sin duda debidos a la infiltración de la componente fundamental negativa, Fig. 15. Estimaciones de la primera derivada de amplitud y fase brindadas por el filtro de Kalman de segundo orden. prueba, en donde el modelo de Taylor no es tan apropiado como en el caso anterior de fluctuaciones suaves de amplitud y fase. Estimación de la respuesta al escalón de frecuencia Finalmente, se muestra la prueba de la estimación del escalón de frecuencia (+5 Hz) incluída en la norma, referencia 1, anexo G.4. La figura 16 ilustra la estimación de amplitud y fase del filtro. Note que se ha comparado el desarrollo de ambos filtros en la estimación de fase pero no en la estimación de magnitud. Esta discrepancia se puede entender mejor en la figura 17 que muestra la trayectoria Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 17. Trayectoria del fasor obtenido con los filtros de orden dos y cero, de una señal con escalón de frecuencia. 69 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. Fig. 18. Estimación de amplitud y fase de la primera derivada con el filtro de Kalman de segundo orden, en la señal con escalón de frecuencia. Fig. 19. Señal de prueba y señal de error estimada. ya que esta componente es vista desde 65 Hz a 130 Hz. El periodo de este tipo de infiltración sería de 130/60=2.1667 ciclos por periodo fundamental, que corresponde precisamente con el período del error de la onda percibido en la figura 16 y 18. Sin embargo, debe hacerse más investigación para mejorar la respuesta de las estimaciones de las derivadas ante transitorios abruptos. RESULTADOS EXPERIMENTALES El modelo de señal usado en este artículo está basado en una señal pasabanda. En realidad, las señales de los sistemas de potencia pueden contaminarse por armónicas o componentes de corriente directa no contemplados en dicho modelo ver ecuaciones (9) y (10). En esta sección el método propuesto es aplicado a una señal tomada de la práctica con un PMU de una subestación. La figura 19 ilustra la señal, así como el nivel de error de estimación con el estimador de orden cero y dos. Esta señal viene muestreada a 48 muestras por ciclo. Debido a que esta señal fue tomada en una subestación, no se le agregó ruido. Note que el error de estimación de la señal es muy pequeño. La estimación del fasor (amplitud y fase), así como de sus derivadas se muestran en la figura 20. Es evidente que las estimaciones son ruidosas. Esto es debido a la presencia de la quinta armónica que se infiltra en las estimaciones de acuerdo con un análisis espectral de la señal. Una solución a este inconveniente sería prefiltrar la señal con un 70 Fig. 20. Estimaciones de amplitud y fase de la señal de prueba con K=0,2 y sus primeras derivadas obtenidas con el filtro de Kalman de segundo orden. filtro pasa banda para quitarle la armónica, pero ésta ocasionaría un retraso de uno o dos ciclos, además del cómputo de una convolución por muestra. La mejor solución consiste en extender la matriz de transición en (9) incluyendo en la diagonal la matriz ψ1h Φ y su complejo conjugado por armónica h. Esta opción es más apropiada porque sólo aumenta la cantidad de ganancias de Kalman por un factor igual a dos veces la cantidad de armónicas que desea excluir. La figura 21 muestra los estimados obtenidos mediante esta solución. La mejora en las estimaciones es evidente, y esta aplicación solo necesita el doble de las ganancias de Kalman. Podemos ver que las estimaciones son muy buenas. Este método ampliado nos permite estimar los coeficientes de Taylor-Fourier11 o los coeficientes de Fourier (DFT) con el filtro de Taylor K-Kalman. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. Fig. 21. Mejora de estimación sin la interferencia de la quinta armónica. El número de productos por estimación de estados es de (2 H + 1)[( K + 1) 2 + 2( K + 1)] donde el modelo de señal contiene H armónicas y la componente de cd. DISCUSIÓN En el contexto de la protección de los equipos de transmisión, se hace mucho más hincapié en señales con cambios abruptos que con oscilaciones. Este particular explica porqué el filtro de Fourier de un ciclo es el prototipo de esta aplicación: en un cambio repentino entre dos estados estables la estimación fasorial alcanza buenas estimaciones de un estado estático al siguiente. Esto explica también que el estándar actual de sincrofasor,1 se base en el modelo estático de fasor, pero en clara contradicción con la naturaleza dinámica de las oscilaciones. E incluso cuando se aplica de forma recursiva, sus estimaciones heredan fuertemente los defectos de la restrictiva condición estática impuesta. El fasor dinámico, no es dinámico porque se aplica de forma recursiva, sino porque su modelo de señal incorpora términos de Taylor de orden mayor a cero. Bajo oscilaciones, no es lo mismo una serie de estimaciones fasoriales estáticas que una serie de dinámicas. Las estimaciones del filtro de Fourier son pobres debido a las infiltraciones de las oscilaciones en las altas derivadas. Una especie de solapamiento de Taylor, en el cual, las altas derivadas excluidas por el modelo estático de señal, se proyectan en las estimaciones fasoriales, debido a la no ortogonalidad de los términos de Taylor. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Al extender el modelo de señal a un mayor subespacio incluyendo derivadas de orden más alto, el filtro de Taylor K-Kalman es capaz de seguir las fluctuaciones lisas con mejor precisión, impidiendo la infiltración de las derivadas incorporadas en su modelo de señal. Por supuesto, ante cambios abruptos, las derivadas de orden más alto a las incluídas en el modelo se infiltrarán en sus estimaciones. En ese caso, el filtro Taylor K-Kalman, como cualquier sistema dinámico, puede caracterizarse por su respuesta transitoria. Pero entre el subespacio del modelo estático (K=0), y el del modelo transitorio (K=∞), hay una serie de subespacios que albergan las derivadas de las fluctuaciones suaves. Este artículo descubre las ventajas del subespacio de orden dos (K=2) con respecto al subespacio estático (K=0). En nuestra opinión, la principal contribución del presente artículo, además de restaurar el filtro de Kalman en aplicaciones de estimación fasorial, es la creación de un nuevo campo de aplicación para la estimación fasorial, mucho más adecuado para la aplicación de los PMUs (Phasor Measurament Unit) en redes de transmisión de área amplia. Su principal contribución es proporcionar un instrumento teórico nuevo para medir las oscilaciones de los sistemas de potencia, en condiciones que sobrepasan los límites del puro contexto de protecciones. CONCLUSIONES Es posible representar por medio de una matriz de transición de estados la aproximación de un polinomio de Taylor a la envolvente de las oscilaciones de un sistema de potencia, como una combinación lineal del fasor dinámico y sus primeras K derivadas. El algoritmo del filtro de Taylor-Kalman puede aplicarse a señales de potencia oscilatorias para obtener buenas estimaciones instantáneas del correspondiente fasor oscilante y sus primeras derivadas, por la capacidad de los polinomios de Taylor para aproximarse a variaciones suaves. Las estimaciones logradas con el modelo de segundo orden mejoran considerablemente las de orden cero ante oscilaciones suaves. El filtro de segundo orden reduce por un factor de diez el TVE del de orden cero (filtro de Kalman tradicional en protecciones). El filtro de segundo orden es mucho más estable que el filtro de orden cero, estableciendo 71 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. tiempos de respuesta transitoria alrededor de cinco veces menor (de doce ciclos a dos ciclos). Además el filtro de segundo orden mejora las estimaciones fasoriales en oscilación con fluctuaciones de frecuencia, con la ventaja de aportar estimaciones de frecuencia junto con las del fasor. A pesar de las deficiencias mencionadas en el apartado anterior, estos resultados abren el camino a una nueva técnica de estimación fasorial usando otro tipo de observadores. La complejidad computacional de la estimación también podría reducirse estudiando la simetría de los modelos de señal compleja. Pero sin duda la principal ventaja de estas estimaciones fasoriales es que son instantáneas (sin retraso), lo que las hace idóneas para la aplicación de sincrofasores, que nunca antes habían sido sincronizados en tiempo real, debido al retraso implícito de los estimadores anteriores al propuesto en este artículo. AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) el apoyo recibido a través del proyecto I0013-90230: Comparación de técnicas de estimación fasorial bajo la teoría de optimización. REFERENCIAS 1. Standard for synchrophasors for power systems, IEEE Std. C37.118-2005. 2. K. Martin, D. Hamai, M. Adamiak, S. Anderson, M. Begovic, G. Benmouyal, G. Brunello, J. Burger, J. Cai, B. Dickerson, V. Gharpure, B. Kennedy, D. Karlsson, A. Phadke, J. Salj, V. Skendzic, J. Sperr, Y. Song, C. Huntley, B. Kasztenny, and E. Price, Exploring the ieee standard c37.118-2005 synchrophasors for power systems, vol. 23, no. 4, pp. 1805–1811, 2008. 3. A. G. Phadke and J. S. Thorp, Computer Relaying for Power Systems, 1st ed. Research Studies Press LTD, Sep. 1988. 4. L. Salvatore and A. Trotta, Flat-top windows for PWM waveform processing via DFT, Electric Power Applications, IEE Proceedings B, vol. 135, no. 6, pp. 346–361, 1988. 5. J. de la O Serna and K. Martin, Improving phasor measurements under power system oscillations, 72 IEEE Trans. Power Syst., vol. 18, no. 1, pp. 160–166, 2003. 6. W. Premerlani, B. Kasztenny, and M. Adamiak, Development and implementation of a synchrophasor estimator capable of measurements under dynamic conditions, Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 23, no. 1, pp. 109–123, 2008. 7. D. Fan and V. Centeno, Phasor-Based synchronized frequency measurement in power systems, IEEE Trans. Power Del., vol. 22, no. 4, pp. 2010–2016, 2007. 8. A. Phadke and B. Kasztenny, Synchronized phasor and frequency measurement under transient conditions, IEEE Trans. Power Del., vol. 24, no. 1, pp. 89–95, 2009. 9. P. Mattavelli, A. Stankovic, and G. Verghese, SSR analysis with dynamic phasor model of thyristor-controlled series capacitor, IEEE Trans. Power Syst., vol. 14, no. 1, pp. 200–208, 1999. 10. J. de la O Serna, Dynamic phasor estimates for power system oscillations, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 56, no. 5, pp. 1648–1657, october 2007. 11. M. A. Platas and J. A. de la O Serna, Dynamic phasor and frequency estimates through maximally flat differentiators, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 59, no. 2, april 2010. 12. ——, Dynamic harmonic analysis through taylorfourier transform, IEEE Trans. Instrum. Meas., In Press. 13. A. Girgis and R. Brown, Application of kalman filtering in computer relaying, IEEE Trans. Power App. Syst., vol. 100, no. 7, pp. 3387–3397, Jul. 1981. 14. A. Girgis, A new kalman filtering based digital distance relay, IEEE Trans. Power App. Syst., vol. 101, no. 9, pp. 3471–3480, 1982. 15. W. H.C., N. Johnson, and M. Sachdev, Kalman filtering applied to power system measurements relaying, Power Apparatus and Systems, IEEE Transactions on, vol. 104, no. 12, pp. 3565–3573, 1985. 16. G. Benmouyal, Frequency-domain characterization of kalman filters as applied to power system Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. protection, IEEE Trans. Power Del., vol. 7, no. 3, pp. 1129–1138, 1992. 17. J. P. de Sa, A new kalman filter approach to digital relaying, IEEE Trans. Power Del., vol. 7, no. 3, pp. 1652–1660, 1992. 18. L. Wang, Frequency responses of phasor-based microprocessor relaying algorithms, IEEE Trans. Power Del., vol. 14, 1999. 19. P. K. Dash, R. K. Jena, G. Panda, and A. Routray, An extended complex kalman filter for frequency measurement of signals, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 49, 2000. 20. P. Zarchan, H. Musoff, and F. K. Lu, Fundamentals of Kalman Filtering: A Practical Approach, 3rd ed. AIAA (American Institute of Aeronautics & Ast, Sep. 2009. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 21. J. A. de la O Serna and J. Rodríguez, Instantaneous oscillating phasor estimates with taylork-kalman filters, IEEE Trans. Power Syst., vol. 26, no. 4, pp. 2336–2344, november 2011. 22. D. G. Manolakis, D. Manolakis, V. K. Ingle, and S. M. Kogon, Statistical and Adaptive Signal Processing: Spectral Estimation, Signal Modeling, Adaptive Filtering and Array Processing. Artech House Publishers, Apr. 2005. 23. D. Simon, Optimal State Estimation: Kalman, H Infinity, and Nonlinear Approaches. WileyInterscience, Jun. 2006. 24. M. L. et al., Exploiting nonlinear recurrence and fractal scaling properties for voice disorder detection, Biomed Eng. Online, vol. 6, no. 23, 2007. 73 �Eventos y reconocimientos I. XVIII CONGRESO INTERNACIONAL SOBRE EDUCACIÓN, CIENCIA Y TECNOLOGÍA En el marco de la Semana Cultural del 64º aniversario de nuestra Facultad, del 18 al 21 de octubre de 2011 se llevó a cabo el XVIII Congreso sobre Educación, Ciencia y Tecnología, en las Instalaciones de la Sala Polivalente del CIDET-FIME-UANL. Como parte de la ceremonia de inauguración del evento se efectuó un panel sobre “La eficiencia energética y la sustentabilidad: acciones, retos y compromisos” con la participación de especialistas de los gobiernos federal y estatal, la CFE, el FIDE y la UANL. Además, a lo largo del congreso se realizaron en total 23 conferencias, 5 talleres y 2 coloquios, uno sobre “celdas solares” y otro sobre “Materiales: Avances e innovación” con la participación de 10 especialistas de nivel internacional. En la ceremonia de inauguración del XVIII Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología se observa al Dr. Fernando Gutiérrez Moreno, Director de la Secretaria de Desarrollo Sustentable del Estado de Nuevo León, en el podium, y a las autoridaes de la FIME y de la UANL en la mesa. 74 II. RECONOCIMIENTO AL MÉRITO FIME 2011 Presidido por el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME-UANL, el 18 de octubre de 2011 se efectuó, en las instalaciones de la FIME-UANL, la ceremonia de entrega de los reconocimientos al Mérito FIME 2011 en las siguientes categorías: ● Mérito a la docencia: M.C. Roberto Mireles Palomares ● Mérito a la investigación: Dr. Martín Edgar Reyes Melo Dr. Virgilio González González M.C. Juan Francisco Luna Martínez ● Mérito a la excelencia en el desarrollo profesional: Ing. Héctor de Jesús Cárdenas Treviño Ing. Elena María Rodríguez Falcón Ing. Saúl Eduardo Treviño García ● Mérito a la excelencia deportiva: Homero Morales Carrillo. ● Mérito a la innovación tecnología: Dr. Rafael David Mercado Solís Las personas que recibieron el Reconocimiento al Mérito FIME 2011 acompañados por el Director de la FIMEUANL, el M.C. Esteban Báez Villarreal, y autoridades universitarias. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año. XV, No. 54 �Eventos y reconocimientos III. PREMIO MEJOR TESIS UANL 2010 Doce proyectos de investigación fueron distinguidos con el Reconocimiento UANL a la Mejor Tesis de Licenciatura y Maestría desarrollada durante el año 2010, por su contribución a la generación de conocimiento en las diferentes ramas de la ciencia e innovación tecnológica. El Reconocimiento fue entregado por el Dr. Jesús Áncer Rodríguez, Rector de la UANL en una ceremonia realizada el 20 de septiembre de 2011. En total, se registraron 82 trabajos para competir por este galardón, de los cuales 29 fueron realizados por estudiantes de licenciatura y 53 de posgrado. El comité evaluador determinó reconocer por su relevancia a 12 propuestas, seis en cada uno de los niveles educativos, correspondientes a seis categorías: Ciencias Agropecuarias, Ciencias de la Salud, Ciencias Naturales y Exactas; Ciencias Sociales y Administrativas; Educación y Humanidades, y Arquitectura, Ingeniería y Tecnología. Relativas a ingeniería fueron premiadas, a nivel maestría, en la categoría de Ciencias Naturales y Exactas, la tesista de la FIME-UANL Paola Guadalupe Gómez López por su trabajo “Nanocompósitos bifuncionales magnetoluminiscentes de óxido de hierro en un polímero semiconductor”, realizado bajo la asesoría del Dr. Virgilio Ángel González González; y en la categoría de Arquitectura, Ingeniería y Tecnología el tesista de la FCQ-UANL Juan Francisco Góngora Gómez por su trabajo: “Modificación del TiO2 mediante complejos poliaza y su aplicación en la degradación de contaminantes en medio acuoso” bajo la asesoría de la Dra. Ma. Aracely Hernández Ramírez. IV. EXAMEN INTERNACIONAL DOCTORAL EN INGENIERÍA DE MATERIALES El 17 de octubre de 2011 tuvo lugar la defensa de grado de Doctor en Ingeniería de Materiales de Román Jabir Nava Quintero, presentando la tesis titulada “Reducción del espesor del material dieléctrico base BaTiO3 para capacitores”. El trabajo de tesis fue realizado en el marco del Programa de Cooperación de Posgrado PCP 11/07 entre México y Francia, en el que participaron la UANL, la Universidad de Toulouse III (Paul Sabatier), las empresas Kemet de México y Marion Technologies en Francia. De acuerdo al convenio de “cotutela” entre las universidades, en este mismo evento le fue otorgado el grado por la Universidad de Toulouse. El jurado estuvo integrado por el Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, Asesor; la Dra. Sophie GuillemetFritsch , asesora UPS, y el Prof. Bernard Durand de la Universidad Paul Sabatier, Toulouse, Francia; el Dr. Martín E. Reyes Melo Profesor Investigador de la FIME-UANL; el Dr. Félix Sánchez de Jesús, Profesor de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo y el Prof. Gilbert Fantozzi, del Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Lyon, Francia. El Dr. Román Jabir Nava Quintero acompañado de los sinodales de su examen. Los galardonados con el Premio a la Mejor Tesis de la UANL presentada en el 2010 acompañados por el rector de la UANL, el Dr. Jesús Áncer Rodríguez, y por sus asesores. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 V. MÉRITO ACADÉMICO ESTUDIANTIL Y GRUPO DE LOS 100 EN LA FIME-UANL El miércoles 19 de octubre de 2011 en el marco de la Semana Cultural del 64 aniversario de la FIMEUANL se llevó a cabo la ceremonia de entrega de reconocimientos a los alumnos que obtuvieron los mejores promedios en el semestre enero-junio de 2011. 75 �Eventos y reconocimientos Los alumnos distinguidos con el reconocimento al Mérito Académico, por su alto desempeño escolar fueron: Alumno Carrera Promedio Cynthia A. Garza González IMA 98.160 Luis L. González Estrada IEA 96.190 Otoniel Rodríguez Delgado IAS 97.000 Pedro A. López Hernández IME 94.550 Fernando A. Carranza Hernández IEC 94.520 Azalia Carranza Pérez IMTC 96.387 Alumnos distinguidos con el Reconocimiento al Mérito Académico y del Grupo de los 100, acompañados por el Director de la FIME-UANL y autoridades universitarias. Alumnos reconocidos durante la tradicional develación de placas al Mérito Académico en la Biblioteca “Ing. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza” de la FIME-UANL. 76 Posteriormente se reconoció al Grupo de los Cien, formado por los alumnos con mejores calificaciones en el periodo enero-junio 2011 en las diferentes carreras ofrecidas por la FIME-UANL. En esta ocasión se reconoció a alumnos de las siguientes carreras: 34 de Ingeniero Mecatrónico, 17 de Ingeniero Administrador de Sistemas, 17 de Ingeniero Mecánico Administrador, 11 de Ingeniero en Electrónica y Automatización, 7 de Ingeniero Mecánico Electricista, 6 de Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones, 4 de Ingeniero en Tecnología de Software, 3 de Ingeniero Aeronáutico y 2 de Ingeniero en Manufactura.. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año. XV, No. 54 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Septiembre - Noviembre 2011 Osiel Lucas Flores, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Aplicación de Nanotubos de Carbono en pinturas”, 1 de Septiembre de 2011. Aldo Alejandro García Maldonado, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 2 de Septiembre de 2011. Haydee Cantú Prado, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 2 de Septiembre de 2011. Alma Carolina González Zamudio, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Análisis de la correspondencia entre la oferta educativa en FIME y la demanda de empresas del Área Metropolitana de Monterrey”, 5 de Septiembre de 2011. Pablo Guadalupe García Sánchez, Maestría en Ingeniería con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura, (Examen por materias), 8 de Septiembre de 2011. Jorge Sandoval Arrizon, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Elementos a considerar dentro de una transferencia de tecnología (caso de la empresa azúcar salada)”, 14 de Septiembre de 2011. César Herberto Ochoa Ruiz, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Sistemas Eléctricos de Potencia, (Examen por materias), 15 de Septiembre de 2011. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Ricardo Jesús Villareal Lozano, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Comercio Exterior, (Examen por materias), 19 de Septiembre de 2011. Marco Aurelio Lara Olivo, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Telemática, (Examen por materias), 21 de Septiembre de 2011. Perla Cecilia Hernández Lara, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, (Examen por materias), 22 de Septiembre de 2011. Christian Cano Bandala, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 27 de Septiembre de 2011. Daniel Adrian Garza Santa Cruz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 4 de octubre de 2011. Ramón Betancourt Lozano, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 6 de octubre de 2011. Luis Alberto Zaragoza Aquino, Maestría en Ingeniería con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Mecatrónica, (Examen por materias), 7 de octubre de 2011. Emily Nadiezda Yamilett Saucedo Mariscal, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 7 de ocutbre de 2011. Rubén Guadalupe Palomo Sánchez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 7 de octubre de 2011. Edgar Sánchez Zavala, Maestría en Ingeniería con orientación en Telemática, (Examen por materias), 12 de octubre de 2011. 77 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Santiago Banda Muñoz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 17 de octubre de 2011. Ramón Martínez Bustos, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 19 de octubre de 2011. Manuel Ramírez Vázquez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 19 de octubre de 2011. Edna Guadalupe Vela Ponce, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 20 de octubre de 2011. Linda Lisbeth Gaxiola Lucio, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, (Examen por materias), 21 de octubre de 2011. Vilson Tadeo Cuevas Trujillo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, Gerencia de Relaciones con el Cliente (CRM), 24 de octubre de 2011. Ramón Merino Cervantes, Maestría enAdministración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, Valoración de liquidez y rentabilidad (proyecto corto), 28 de octubre de 2011. Tania Elizabeth Guerrero Salas, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 28 de octubre de 2011. Raquel Martínez Martínez, Maestría en Ingeniería de la Información, con orientación en Informática, (Examen por materias), 1 de noviembre de 2011. Netzahualpilli Araujo Delgado, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, “Gestión de la adminstración estratégica en la micro y pequeña empresa”, 1 de noviembre de 2011. Jimmy Neliñho González Méndez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 3 de noviembre de 2011. 78 Omar Eduardo López Botello, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, (Examen por materias), 7 de noviembre de 2011. Daniela Aguirre Guerrero, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la vida a la fatiga de un acero HSLA”, 11 de noviembre de 2011. David Esteban Serrato García, Maestría en Ingeniería con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Mecatrónica, (Examen por materias), 11 de noviembre de 2011. Gustavo Serrato García, Maestría en Ingeniería con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Mecatrónica, (Examen por materias), 11 de noviembre de 2011. José Roberto Benavides Treviño, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Estudio de la solidificación de un hierro nodular”, 11 de noviembre de 2011. Alpha Iris Estrada Carbajal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, “Comercialización de la vainilla: caracterización de productos, subproductos y derivadas”, 14 de noviembre de 2011. Daniel Damian Azcoitia, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 24 de noviembre de 2011. Edith Luevano Hipolito, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis por coprecipitación asistida con ultrasonido de γ-Bi2MoO6, caracterización y evaluación de su actividad fotocatalítica”, 28 de noviembre de 2011. Nubia Esther Torres Martínez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Materiales híbridos nanoestructurados basados en nanopartículas de magnetita estabilizados en matriz de polielectrolito”, 28 de noviembre de 2011. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año. XV, No. 54 �Acuse de recibo INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN CIENCIA E INGENIERÍA NEOGRANADINA La revista Ingeniería e Investigación es el órgano de difusión de las labores docentes, ingenieriles y científicas de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia. Su publicación con ISSN No. 0120-5609, consiste en tres números anuales (Abril, Agosto y Diciembre) la cual es dirigida a la comunidad académica interesada en la investigación y desarrollo del conocimiento de la ingeniería. Esta publicación aborda diversas disciplinas relacionadas con la ingeniería y las ciencias aplicadas, ejes temáticos en la ingeniería mecánica, química, civil, de sistemas, eléctrica, ambiental, entre otras. Hace uso del estilo journal, presentando los artículos en idioma español e inglés, tratando de conservar que la lectura sea legible y accesible. Por ejemplo, en el número 1, vol. 31 de Abril 2011, destacan interesantes artículos, entre ellos, nanotecnología aplicada a transistores, simulación de materiales compuestos, objetivos universitarios de la ingeniería, gestión de ecosistemas acuáticos, entre otros. Para mayor información acerca de esta publicación puede consultar su sitio web: www.revistaingenieria. unal.edu.co (JGPC) Esta publicación semestral (ISSN: 0124-8170), producida por la Universidad Militar Nueva Granada, tiene como misión difundir trabajos originales relacionados con la ingeniería no sólo de especialistas de dicha universidad sino a nivel internacional. Sus artículos son arbitrados y la revista está registrada en diferentes bases de datos e índices. Los artículos, bien ilustrados y cuidados en su forma, cubren las diferentes ramas de la ingeniería. Para muestra comentaremos que el No. 20-2 incluye entre otros trabajos: un modelo cinético de la hidrólisis del residuo de cosecha de caña de azúcar; una propuesta de un sistema neuro-DBR y su aplicación en la predicción de la serie de tiempo de Lorenz; una arquitectura de referencia (MIDDIS) para la interacción de servicios basados en SOA e IMS; los Thinklet como elemento clave en la generación de métodos colaborativos para evaluar usabilidad de software; y el análisis estructural y morfológico de películas de nitruro de aluminio obtenidas por deposición de láser pulsado. La revista puede consultarse en extenso en la dirección de Internet: http://www.umng.edu.co/ www/section-3938.jsp (FJEG) Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 79 �Colaboradores Andrade Cruz, Luis Javier Ingeniero en Sistemas Computacionales por la Universidad Autónoma de Tamaulipas. Actualmente Estudiante de Maestría en Tecnología Avanzada. Cabrera Ríos, Mauricio Maestría en ciencias y doctorado en Ingeniería Industrial y de Sistemas en The Ohio State University (1999, 2002). Es profesor investigador del Departamento de Ingeniería Industrial en la Universidad de Puerto Rico, Recinto de Mayagüez. http://ininweb.uprm.edu/faculty.asp De la O Serna, José Antonio Doctor en Telecomunicaciones por la Escuela Nacional Superior de Telecomunicaciones de París, Francia (1982). Entre 1982 y 1986 trabajó en el ITESM. De 1988 a 1993 trabajó en el Politécnico de Yaoundé Camerún. Actualmente es Profesor Investigador de la UANL. Es miembro del SNI. Escalante Gutiérrez, Miguel Francisco Ingeniero Industrial en Electrónica (1988) y Maestría en Ingeniería Electrónica (1994) por el Instituto Tecnológico de Chihuahua. Doctorado en Ingeniería Eléctrica (2001) por la Universidad de Paris VI/ SUPELEC, Francia. Es profesor investigador en la FIME-UANL desde 2003. García García, Minerva Aída Licenciada en Psicología, UANL. Maestría en Psicología, UANL. Doctora en Psicología, UANL. Profesora de la Facultad de Psicología de la UANL desde 2007. Miembro del SNI. González González, Virgilio Ángel Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la FCQ-UANL y Doctorado en 80 Ingeniería de Materiales en la FIME – UANL. Ha sido investigador en el campo de los polímeros desde 1975. Es miembro del SNI nivel II, es profesor investigador de tiempo completo desde 1998 en la UANL. López Marure, Arturo Licenciatura en Metalurgia y Maestría en Metalurgia Extractiva por la ESIQIE -IPN. Maestría en Ciencia de Materiales por el Institut National Politechnique de Grenoble, Francia. Doctorado en Química Inorgánica por la Universite Claude Bernard, Lyon, Francia. Profesor de tiempo completo y Subdirector Académico del Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada. SNI, nivel C. Limón Rodríguez, Benjamin Ingeniero Civil y Maestría en Ingeniería de Salud Pública y Maestría en Ingeniería Ambiental, por la FIC-UANL. Especialidad en Higiene y Seguridad Industrial en los Institutos de Salud Ocupacional de Lima en Perú y de Santiago de Chile. Doctor en Ingeniería por la Universidad Autónoma del Estado de México. Mata Jiménez, Marco Tulio Ingeniero Físico Industrial (1990) y Maestría en Ingeniería de Control (1994) por el ITESM-campus Monterrey. Doctorado en Control Automático (1998) por el Instituto Nacional Politécnico de Grenoble, Francia. Es profesor investigador de la FIME-UANL desde 2003. Medina De la Garza, Carlos Eduardo Médico Cirujano Partero, UANL (1982). Medicina Tropical y Parasitología, Instituto Bernhard Nocht, Hamburgo. Salud Pública, Universidad de Heidelberg, Doctor en Medicina, Inmunoparasitología, Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año. XV, No. 54 �Colaboradores Universidad de Hamburgo (1989). Receptor del premio “Gerhard-Domagk” y “Jesús Kumate”. Editor Asistente, Medicina Universitaria (Elsevier). SNI-I (1993-2001). Actualmente es Profesor de la Facultad de Medicina / Hospital Universitario y Director del Centro de Investigación y Desarrollo en Ciencias de la Salud de la UANL. Niño Pérez, Esmeralda Estudiante de la carrera de Ingeniería en Manufactura en la FIME-UANL. Ortiz Jiménez, Xóchitl Angélica Licenciada en Psicología, UNAM. Doctora en Psicología, Universidad Complutense de Madrid. Profesora de la Facultad de Psicología de la UANL desde 2006. Ramírez Tule, Candelaria Licenciada en Psicología, UANL. Maestría en Psicología, UANL. Doctora en Biología, UANL. Profesora de la Facultad de Psicología de la UANL desde 1992. Miembro del SNI. Reyna Agreda, Mariana Lizbeth Estudiante de licenciatura en la Facultad de Psicología de la UANL. Rodríguez Cortés, Hugo Ingeniero en Aeronáutica (1995) y Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (1997) por el IPN. Doctorado en Automática y Tratamiento de Señales (2001) por el Laboratorio de Señales y Sistemas de SUPELEC Gif-sur-Yvette, Francia. Es profesor investigador del CINVESTAV unidad Zacatenco. Miembro del SNI nivel I. Rodríguez Maldonado, Johnny Ingeniero en Electrónica (2004) y Maestro en Ciencias en Procesamiento de Señales (2008) por la Universidad Autónoma de Zacatecas (UAZ). Doctor en Ingeniería Eléctrica (2011) por la UANL. Alemania. Actualmente estudia el Doctorado en Ciencias de los Materiales en FIME-UANL. Salinas Estevané, Juan Pablo Licenciado en Ciencias Físicas por la UANL y Doctor en Ciencias con Orientación en Química de los Materiales (UANL). Actualmente es Profesor de Tiempo Completo de la FCFM-UANL. Miembro del SNI, Nivel C. Sánchez Cervantes, Eduardo Maximino Licenciado en Ciencias Químicas por el ITESM y Doctor en Ciencias Químicas con orientación en Química del Estado Sólido por la Universidad Estatal de Arizona (USA). Actualmente es Profesor de la FCQ-UANL. Obtuvo el premio de Investigación UANL-Ingeniería en 2007 y el premio de Investigación UANL-Ciencias Exactas en 2007, 2008 y 2011. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y del SNI, Nivel II. Sepúlveda Guzmán, Selene Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Coahuila (1998), Doctorado en Polímeros (2005) por el Centro de Investigación en Química Aplicada. Realizó estancia posdoctoral en la Universidad de Texas en Austin (2007). Miembro del SNI nivel 1. Actualmente es Profesor Titular en la FIME-UANL. Valdez Ramírez, Pablo Licenciado en Psicología, UNAM. Maestría en Metodología de la Ciencia, UANL. Doctor en Psicología, UANL. Profesor de la Facultad de Psicología de la UANL desde 1978. Miembro del SNI. Vázquez Almaguer, Ariana Margarita Ingeniera Química por el Instituto Tecnológico de Ciudad Madero. Estudiante de Maestría en Tecnología Avanzada. Rojas Minjarez, Shirley Marbella Ingeniera Industrial (2008) por el Instituto Tecnológico de los Mochis. Vázquez Vázquez, Adrián Ingeniero en Electrónica y Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica. Premio KEMET a la Innovación Tecnológica 2008, categoría investigador. Premio Nacional de Creatividad DGEST 2006. Candidato a doctor en Tecnología Avanzada. Ruiz Flores, Pablo Antonio Ingeniero Químico Administador (1989) por el ITESM. Maestria en Ciencias (1999) por la Universidad de Ciencias Aplicadas de Reutlingen Villarreal Marroquín, María Guadalupe Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas (2007) por la FIME-UANL. Candidata al doctorado en Ingeniería Industrial por The Ohio State University. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 81 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes y convocatorias. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Se aceptarán trabajos en inglés solamente de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES En el caso de los trabajos de revisión o divulgación el autor debe demostrar que ha trabajado y publicado en el tema del artículo, debe ofrecer una panorámica clara del campo temático, debe separar las dimensiones del tema y evitar romper la línea de tiempo y considerar la experiencia nacional y local, si la hubiera. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben contener la presentación de resultados de medición acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamentre dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen 82 mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año. XV, No. 54 �La ORGANIZACIÓN MUNDIAL DE FUNDICIÓN (WFO) y la SOCIEDAD MEXICANA DE FUNDIDORES (SMF) INVITAN AL 70º CONGRESO MUNDIAL DE FUNDICIÓN y XVIII FUNDIEXPO Pre-congreso: 23 y 24 de abril de 2012. Saltillo, Coahuila, México Congreso: 25 al 27 de abril de 2012. Monterrey, Nuevo León, México Más Información Tel. + (55) 1087-1600 ext. 1159 angelica@ejkrause.com http://www.wfc2012.com Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 83 �84 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año. XV, No. 54 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2012 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 15 Número Número de la revista 54 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2012, Año 15, No 54, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2012 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020817 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Fluidos supercríticos Funcionalización Halloysita Líquidos iónicos Nanomateriales Sonoquímica https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20776/Ingenierias_2011_Vol_14_No_53_Octubre-Diciembre.pdf 560089270e4039b2504828504baddc7e PDF Text Text �Contenido Octubre-Diciembre de 2011, Vol. XIV, No. 53 53 2 Directorio 3 Editorial La formación científica del estudiante universitario Zarel Valdez Nava 6 Materiales híbridos magnéticos Martín Edgar Reyes Melo, Virgilio Ángel González González, Juan Francisco Luna Martínez 13 La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia Manuel García Méndez 23 Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 dopado con indio y níquel Leticia M. Torres Martínez, Miguel A. Ruiz Gómez 35 Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos Beatriz López Walle, Martín Edgar Reyes Melo, Enrique López Cuéllar 44 Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto Oscar Francisco Villarreal Vera, Carlos J. Lizcano Zulaica, Rafael Colás Ortiz 55 Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar Gilberto Lorenzo Martínez Luna 64 Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos Nicolás González Fonseca, Jesús De León Morales 73 Eventos y reconocimientos 75 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 78 Acuse de recibo 79 Colaboradores 81 Información para colaboradores Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 1 �DIRECTORIO CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Liviu Sevastian BocÎI DIRECTOR M.C. Fernando J. Elizondo Garza FIME-UANL Rumanía. U. “Aurel Vlaicu”, Arad. Dr. Mauricio Cabrera Ríos Puerto Rico. UPRM Dr. Juan Jorge Martínez Vega Francia. Universidad de Toulouse III Dr. José Evaristo Ruzzante Argentina. CNEA. Dr. Samir Nagi Yousri Gerges Brasil. UFSC, Florianopolis. Dra. Karen Lozano FIME-UANL TIPOGRAFÍA Y FORMACIÓN Gregoria Torres Garay Jesús G. Puente Córdova COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García TRADUCTORES CIENTÍFICOS Lic. José de Jesús Luna Gutiérrez Dra. Martha A. Fabela Cárdenas EDITOR Dr. Juan Antonio Aguilar Garib FIME-UANL Dr. Rafael Colás Ortiz INDIZACIÓN Dr. Cesar Guerra Torres L.Q.I. Sergio A. Obregón Alfaro FIME-UANL USA. UT-Panam Dr. Juan Miguel Sánchez USA. UT-Austin REDACCIÓN Lic. Julio César Méndez Cavazos Dr. Jesús De León Morales FIME-UANL Dr. Virgilio A. González González CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Óscar L. Chacón Mondragón FIME-UANL Dr. Moisés Hinojosa Rivera FIME-UANL Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar FIME-UANL Dra. Oxana Vasilievna Karisova FCFM-UANL FIME-UANL Dr. Azael Martínez De la Cruz Dr. Benjamín Limón Rodríguez FIME-UANL FIC-UANL Dr. Enrique López Cuellar Dr. José Rubén Morones Ibarra FIME-UANL FCFM-UANL Dr. Martín Edgar Reyes Melo Dr. Ubaldo Ortiz Méndez FIME-UANL FIME-UANL Dr. Miguel Ángel Palomo González FCQ-UANL M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo FFYL-UANL Dr. Ernesto Vázquez Martínez Dr. Roger Z. Ríos Mercado FIME-UANL Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan FIME-UANL DISEÑO M.A. José Luis Martínez Mendoza FOTOGRAFíA M.C. Jesús E. Escamilla Isla WEBMASTER Ing. Dagoberto Salas Zendejo IMPRESOR M.C. Mario A. Martínez Romo René de la Fuente Franco Dr. Félix Sánchez De Jesús ICBI-UAEH FIME-UANL Dr. Jesús González Hernández CIMAV UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector / Dr. Jesús Áncer Rodríguez Secretario General / M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado / Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura / Lic. Rogelio Villarreal E. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Director / M.C. Esteban Báez Villarreal Sub-Director de Estudios de Posgrado / Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Académico / M.C. Arnulfo Treviño Cubero Sub-Director Administrativo / M.C. Felipe de J. Díaz Morales Sub-Director de Desarrollo Estudiantil / M.C. Hugo E. Rivas Lozano Sub-Director de Vinculación y Relaciones / M.C. Jaime G. Castillo Elizondo Sub-Director de Desarrollo Institucional y Humano / Dr. Arturo Torres Bugdud 2 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Editorial: La formación científica del estudiante universitario Zarel Valdez Nava Université de Toulouse, Francia, UPS, INPT, LAPLACE (Laboratoire Plasma et conversion d´Energie) 118 route de Narbonne, F-31062 Toulouse cedex 9, Francia. CNRS; LAPLACE; F-31062 Toulouse, Francia En el discurso de inauguración de la Universidad Nacional, que años más tarde se transformaría en la Universidad Nacional Autónoma de México, Justo Sierra dejó muy claro que la universidad debe ser una creadora de ciencia: La acción educadora de la Universidad resultará entonces de su acción científica; haciendo venir a ella grupos selectos de la intelectualidad mexicana y cultivando intensamente en ellos el amor puro de la verdad, el tesón de la labor cotidiana para encontrarla, la persuasión de que el interés de la ciencia y el interés de la patria deben sumarse en el alma de todo estudiante mexicano... (Sierra, 1910). Es decir, los universitarios deben tener como vocación la ciencia y ser capaces de generar conocimiento nuevo a partir de sus propias experiencias y observaciones. De acuerdo con el ideal de Justo Sierra, la universidad debe hacer que todos los que ingresan a ella adquieran una vocación científica y se formen como investigadores. Desde entonces, no ha dejado de haber discusiones sobre el papel de las universidades en la sociedad, y especialmente en los últimos años vuelve esta noción del apoyo de la ciencia como un elemento indispensable para el bienestar y progreso de una nación. Esto confirma que el pronunciamiento hecho por Justo Sierra, hace ya cien años, continua vigente. Actualmente la universidad en México enfatiza, en general, la transmisión de conocimientos, especialmente en los programas de licenciatura. En esos programas, a pesar del ensayo de diferentes modelos, el proceso de enseñanzaaprendizaje consiste en la transferencia de información del maestro al alumno. El maestro se dedica a proporcionar la información mientras el alumno la memoriza. Los programas se diseñan de tal forma que facilitan la organización de los cursos en unidades o bloques de información, lo que promueve que los maestros se conviertan simplemente en instructores que repiten la información de manera pasiva e inerte. Se da entonces el caso en que la información que aprenden los alumnos no tiene relación efectiva con los fenómenos o el entorno social ni con una formación científica. Además, el sistema de evaluación de la licenciatura induce al estudiante a dedicarse a obtener calificaciones, en vez de preocuparse por su formación. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 3 �La formación científica del estudiante universitario / Zarel Valdez Nava Dentro del esquema de la universidad actual, la formación científica se encuentra reservada al posgrado, específicamente al doctorado. De esta manera, tenemos en un extremo la licenciatura, donde se enfatiza la instrucción; mientras que en el otro extremo se encuentra el doctorado, donde se enfatiza la formación científica. En el doctorado, el tutor cumple un papel preponderante en la formación, ya que acompaña al alumno a lo largo de varios años para asesorarlo y guiarlo en las múltiples etapas de su formación científica. El tutor va lanzando retos al estudiante, cada vez más importantes, desde pequeñas preguntas, hasta objetivos a largo plazo que involucran la adquisición de nuevas herramientas teóricas y metodológicas. La ciencia consiste en la generación de conocimiento nuevo a través del análisis y la síntesis del problema de investigación, no es conocimiento acumulado de manera enciclopédica. Para hacer ciencia, se requiere generar hipótesis sobre los fenómenos, después probarlas y finalmente divulgar la experiencia que permita su aprovechamiento, y para esto no existe un método único. La información puesta a nuestra disposición durante el proceso de instrucción no genera conocimiento. El conocimiento de las teorías y los datos no nos permiten en si mismos cumplir con el objetivo de la ciencia: ver algo que nadie más haya visto, ni generar conocimiento nuevo. De acuerdo con el ideal de Justo Sierra, la universidad, en todos sus niveles, debe promover la vocación científica. Entonces, ¿cómo fomentar la formación de universitarios capaces de hacer ciencia desde la licenciatura? Para promover la formación científica en la licenciatura, es necesario utilizar el modelo que ya se implementa en los programas de doctorado, se requiere la guía de un tutor que no se limita a aconsejar al alumno; el tutor es un ejemplo, un modelo, alguien para quien la ciencia es una pasión, alguien cuyo contacto cotidiano con las fronteras del conocimiento, lo hace capaz de asesorar y tomar bajo sus alas a los alumnos, quienes como él, seguirán proponiendo nuevas maneras de generar conocimiento nuevo. En la licenciatura también hay tutores que pueden contribuir, directa o indirectamente, a la formación científica del alumno. La tutoría directa ocurre cuando los alumnos participan como asistentes de investigación, lo que les permite observar la forma en que los investigadores y los alumnos de posgrado van resolviendo los problemas científicos. Esta experiencia les permite ponerse en contacto con los fenómenos, las teorías, las preguntas de investigación, las hipótesis y los métodos de la ciencia. Esta tutoría directa frecuentemente se concretiza con la realización de una tesis de licenciatura, que lleva al alumno a enfrentarse por primera vez, por si mismo, a una pregunta científica. El maestro universitario puede actuar como tutor de manera indirecta, a través de sus clases. No mediante la transmisión de teorías y datos inertes, sino mediante el análisis y la discusión de los fenómenos, las teorías y los métodos vinculados a la generación de conocimiento. El maestro funge como tutor cuando relata su experiencia directa, la forma en que ha llevado a cabo una investigación, las preguntas que han guiado sus proyectos científicos. Sigue fungiendo como tutor cuando discute la forma en que otros han resuelto algún problema de investigación, aparentemente bloqueados por un obstáculo 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �La formación científica del estudiante universitario / Zarel Valdez Nava infranqueable. A través del ejemplo, el tutor pone al alumno en contacto con las herramientas y las estrategias científicas que le permitirán enfrentar los problemas que encontrará en su vida profesional. La universidad debe cumplir su papel como creadora de ciencia, formando universitarios capaces de enfrentar problemas científicos en todos sus niveles, desde la licenciatura hasta el doctorado. Para lograr esto se requiere que los maestros tengan la capacidad de proporcionar elementos de formación que los transforme en tutores capaces de convertir a los estudiantes universitarios en científicos. BIBLIOGRAFÍA • Sierra, Justo (1910), “Discurso pronunciado por el señor licenciado don Justo Sierra, ministro de Instrucción Pública y Bellas Artes, en la inauguración de la Universidad Nacional”, en Alfonso Pruneda, La Universidad Nacional de México 1910, México, Secretaría de Instrucción Pública y Bellas Artes [2ª edición facsimilar, México, UNAM, Dirección General de Publicaciones, 1990]. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 5 �Materiales híbridos magnéticos Martín Edgar Reyes MeloA,B, Virgilio Ángel González GonzálezA,B, Juan Francisco Luna MartínezA Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales. FIME-UANL CIIDIT, FIME-UANL mreyes@gama.fime.uanl.mx A B RESUMEN En este artículo, se reportan la síntesis y caracterización de materiales híbridos magnéticos constituidos de nanopartículas de Ni o Co elementales dispersas de manera homogénea en una matriz polimérica de Na-CMC. Los resultados experimentales obtenidos mediante TEM, DRX y FTIR corroboran esta dispersión homogénea. Estos dos materiales híbridos (Co-CMC y NiCMC) fueron evaluados en cuanto a sus propiedades magnéticas mediante magnetometría de muestra vibrante. En ambos casos los resultados obtenidos muestran que las nanopartículas embebidas en la CMC tienen un comportamiento superparamagnético. PALABRAS CLAVE Materiales híbridos, superparamagnético, CMC. ABSTRACT The synthesis and characterization of hybrid magnetic materials composed of Ni or Co nanoparticles embedded in a polymeric matrix of Na-CMC are reported in this paper. Experimental results obtained by TEM, DRX and FTIR, results corroborate an homogeneous dispersion of iron oxide nanoparticles into CMC matrix. For two hybrid materials: Co-CMC and Ni-CMC, the magnetic behavior was determined by a vibrating sample magnetometer and the results obtained shown a super-paramagnetic behavior. KEYWORDS Hybrid materials, super-paramagnetic behavior, CMC. INTRODUCCIÓN El carácter polifuncional de los materiales híbridos hace de ellos una alternativa importante en el desarrollo de novedosos dispositivos en diversas áreas de la ingeniería.1-8 Desde el punto de vista de su estructura y morfología, un material híbrido es una fase o varias fases dispersas en una matriz, que por lo general es de tipo orgánico (polimérica). Hoy en día, la síntesis de nuevos materiales híbridos ha cobrado demasiada importancia debido al desarrollo de técnicas experimentales mediante las cuales dos componentes inherentemente incompatibles (por ejemplo, polímeros orgánicos y óxidos inorgánicos) se hacen compatibles por pre-mezcla de ambos a escala molecular antes de su conversión en 6 Artículo basado en el proyecto “Uso de carboximetilcelulosa como matriz polimérica en la síntesis de nuevos materiales híbridos”, el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2011, en la categoría de Ingeniería y Tecnología, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 8 de septiembre de 2011. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Materiales híbridos magnéticos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. un nuevo material híbrido.9-15 Esto permite el diseño y la síntesis de materiales híbridos avanzados con propiedades fisicoquímicas muy específicas. Bajo este contexto, además de sus aplicaciones en el área de la electrónica orgánica, la síntesis de materiales híbridos con matrices poliméricas compatibles o afines a sistemas biológicos (como es el caso de la carboximetilcelulosa), es un área que ha despertado el interés de muchos grupos de investigadores en el mundo, debido a las aplicaciones de tipo biológico o quirúrgico que pueden llegar a tener este tipo de materiales.16-19 Aunado a esto, el desarrollo de nanopartículas metálicas como por ejemplo de Fe2O3, Co o Ni, requieren para su estabilización, de un material que evite que éstas se reagrupen formando aglomerados, siendo las matrices poliméricas materiales candidatos idóneos para llevar a cabo estas funciones de estabilización. Razón por la cual, el desarrollo de materiales híbridos magnéticos utilizando como matriz polimérica biocompatible a la Na-CMC, resulta de gran interés tanto científico como tecnológico. El objetivo de este trabajo de investigación es la síntesis de materiales híbridos magnéticos a base de una matriz polimérica de carboximetilcelulosa (Na-CMC) con fases dispersas de óxido de hierro, o bien con cobalto o níquel elemental. Es importante remarcar que estas fases dispersas deberán ser obtenidas por un método in-situ en la matriz de la Na-CMC. Las muestras obtenidas en cada proceso de síntesis serán caracterizadas mediante espectroscopía de infrarrojo (FTIR), difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión y magnetometría de muestra vibrante. Por motivos de espacio, solamente se presentarán y discutirán en este artículo los resultados concernientes a la síntesis de nanopartículas de Co y Ni embebidas en la matriz polimérica de Na-CMC. ASPECTOS GENERALES DE LOS MATERIALES HÍBRIDOS Una de las principales metas que tiene la ciencia en lo referente al desarrollo de nuevos materiales, es la síntesis de materiales polifuncionales. Lo anterior como consecuencia de que los materiales convencionales (metales, cerámicos y polímeros) no pueden cumplir con las exigencias que demanda el Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 desarrollo de nuevas tecnologías, las cuales buscan resolver una gran diversidad de problemáticas. La búsqueda de nuevos materiales polifuncionales ha llevado al perfeccionamiento de los procesos de síntesis para la obtención de nuevos materiales híbridos. Estos procesos de síntesis se fundamentan en combinar dos o más sustancias con la finalidad de obtener nuevas propiedades. Entre los ejemplos más comunes tenemos a los materiales poliméricos que han sido reforzados con fibras inorgánicas, esto con la finalidad de mejorar sus propiedades mecánicas. Este tipo de materiales tienen una gran aplicación hoy en día principalmente en la construcción de vehículos ligeros y utensilios para deportes.10,11 Para estos polímeros reforzados, por lo general las fibras inorgánicas son de un tamaño promedio que puede llegar a ser del orden de los micrómetros, por lo que en la mayoría de los casos el material resultante se observa a la resolución del ojo humano como un material heterogéneo. La disminución del tamaño característico de las fibras inorgánicas dispersas en el material polimérico, se traduce en un mejor reforzamiento de sus propiedades mecánicas, esto se refleja a nivel macroscópico en la obtención de un material más homogéneo, aspecto importante en el proceso de síntesis de materiales híbridos. Aunado al reforzamiento de propiedades mecánicas, las propiedades eléctricas y/o magnéticas que presentan los materiales híbridos también pueden llegar a ser importantes, y por lo tanto tomarlas en cuenta como aplicaciones adicionales al reforzamiento mecánico de la matriz polimérica, en nuestro caso de la NaCMC. LA Na-CMC La Na-CMC es un material polimérico semisintético que se produce por modificación química de la celulosa (un polímero natural). En el proceso de síntesis, se busca introducir en las unidades repetitivas de la celulosa, grupos químicos de “carboximetil de sodio” (CH 2COONa), los cuales le darán al producto obtenido cierto grado de solubilidad en agua, propiedad que no presenta la celulosa.20-28 Un aspecto muy importante, que define a las propiedades funcionales de la Na-CMC, es el Grado de Sustitución o DS. La magnitud del DS es 7 �Materiales híbridos magnéticos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. función del número promedio de grupos hidróxilo sustituidos por grupos de CH2COONa en una unidad de anhidroglucosa (ver figura 1). Cada unidad de anhidroglucosa en la celulosa tiene 3 grupos hidróxilos disponibles para un DS máximo de 3. Por ejemplo, en una Na-CMC con un DS de 1.5, significa que en promedio el 50% de los grupos hidróxilos son esterificados con el CH2COONa, y el 50% promedio restante de cada unidad anhidroglucosa, quedan libres. La figura 1 muestra un esquema de la estructura de la Na-CMC. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para la síntesis de los materiales híbridos precursores se mezclaron soluciones acuosas de Ni(NO3)2 y de Na-CMC; y por otra parte se mezclan soluciones acuosas de CoCl2 y de Na-CMC. Una vez obtenidas estas dos soluciones acuosas, la eliminación del solvente mediante evaporación nos permitió obtener películas delgadas, en la que presumiblemente los iones de Ni+2 y por otro lado los iones de Co+2 se encuentran unidos a los grupos carboximetil de la CMC. Estas películas delgadas son nuestros materiales precursores. La figura 2a muestra el material híbrido precursor para el NiCMC, y la 2b corresponde al material precursor para el Co-CMC. Fig. 1. Estructura química de un segmento de una macromolécula de Na-CMC. MATERIALES Y MÉTODOS La matriz polimérica Na-CMC utilizada en este trabajo fue proporcionada por Aldrich y tiene un DS=0.7. Por otra parte, se utilizó una sal precursora para el Ni (Ni(NO3)2) y otra sal precursora para el Co (CoCl2), como materiales de base para la síntesis de las nanopartículas magnéticas que deberán estar dispersas de manera homogénea en la Na-CMC. Para la obtención de estos materiales híbridos magnéticos: Co-CMC y Ni-CMC, el proceso de síntesis se llevó a cabo en dos etapas. En la primera, el objetivo principal es que las sales precursoras (Ni(NO3)2 y CoCl2) por separado se mezclen o se combinen de manera íntima con la Na-CMC, esto con la finalidad de obtener 2 materiales precursores. En la segunda etapa, los materiales precursores (en forma de película delgada) se someten a un tratamiento químico con un agente reductor (hidracina) para la obtención de Co-CMC y Ni-CMC, los cuales tienen propiedades magnéticas. Muestras tanto para la primera, como para la segunda etapa del proceso de síntesis, fueron caracterizadas mediante TEM, DRX, FT-IR y magnetometría de muestra vibrante. A continuación se muestran y discuten los resultados obtenidos. 8 Fig. 2. Materiales precursores a) para el Ni-CMC y b) para el Co-CMC. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Materiales híbridos magnéticos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. La figura 3 muestra los patrones de difracción de rayos X obtenidos para las muestras de Na-CMC (figura 3a), para el material precursor del Co-CMC (figura 3b), y para la sal precursora CoCl2 (figura 3c). material precursor mostrado en la figura 2b, se determinaron para cada muestra los diferentes modos de vibración que tienen los grupos funcionales tanto para las muestras del material precursor, como para muestras de Na-CMC, utilizando para tal efecto la técnica de espectroscopía de infrarrojo. La comparación de los espectros IR obtenidos para ambas muestras se presentan en la figuras 5 y 6. Fig. 3. Patrones de difracción de rayos-X de las muestras de: (a) carboximetilcelulosa o Na-CMC, (b) material precursor mostrado en la figura 2a, (c) la sal precursora CoCl2. Los resultados sugieren que la sal precursora (CoCl2) se disolvió completamente en el material precursor. Por otra parte en la figura 4 se muestran los correspondientes patrones de difracción obtenidos para el material precursor del Ni-CMC. Al igual que para el material precursor anterior, los resultados sugieren en este caso que la sal precursora Ni(NO3)2 se disolvió por completo en la matriz polimérica de CMC. Fig. 4. Patrones de difracción de rayos-X de las muestras de: (a) carboximetilcelulosa o Na-CMC, (b) material precursor de la figura 2b, (c) la sal precursora Ni(NO3)2. Con la finalidad de corroborar cómo interaccionan los iones de Ni+2 con la CMC en el material precursor mostrado en la figura 2a; y la manera en como interaccionan los iones Co+2 con la CMC en el Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Fig. 5. Espectros de infrarrojo de las muestras de: (a) Na-CMC y del (b) material precursor del material híbrido Co-CMC. En la figura 5a se muestra el espectro IR para la Na-CMC, en el cual se pueden apreciar la banda característica del grupo –OH a 3500cm-1, además los estiramientos de las bandas C-H a 2925cm-1 así como también el estiramiento de la banda asimétrica del grupo éter a 1058 cm-1 y de las bandas asociadas a los grupos carboximetil a 1600 y 1417 cm-1. La figura 5b corresponde al espectro IR del material precursor Co-CMC, en este caso la banda asociada al grupo carboximetil tiene un corrimiento hacia altos números de onda, alrededor de 1637 cm-1. Este corrimiento está relacionado con las interacciones que se presentan entre el ion de Co+2 y el grupo funcional carboximetil de la CMC. Por otra parte las figuras 6a y 6b corresponden a los espectros IR para la CMC y para el material precursor del Ni-CMC respectivamente. La figura 6b muestra un ligero corrimiento de la banda asociada a los grupos carboximetil a la región de altos números de onda, alrededor de 1610 cm-1 y que está relacionado con las interacciones entre el ion de Ni+2 y la del grupo funcional carboximetil de la CMC, es importante mencionar la aparición de una nueva banda en el espectro del material compuesto 9 �Materiales híbridos magnéticos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. Fig. 6. Espectros de infrarrojo de las muestras de: (a) Na-CMC y del (b) material precursor del material híbrido Ni-CMC. que corresponde a la banda de estiramiento N-O, las cuales coinciden con el modo de vibración de flexión para el carboximetil de la CMC aproximadamente a 1384 cm-1. Posterior a esto, los materiales precursores fueron sometidos a un tratamiento químico con un agente reductor (hidracina), con la finalidad de obtener en cada caso nanopartículas elementales de Co y de Ni dispersas en la matriz polimérica de CMC. La figura 7 muestra una imagen obtenida mediante TEM de las nanopartículas de Ni producidas en la matriz de CMC después del tratamiento químico con hidracina. Mediante magnetometría de muestra vibrante se analizó el material híbrido mostrado en la figura 7, la figura 8 muestra los resultados obtenidos. Fig. 7. Imagen obtenida mediante TEM del material híbrido Ni-CMC. 10 Fig. 8. Curva de magnetización contra campo aplicado del material híbrido Ni-CMC. En la figura 8 se muestra una curva de magnetización contra campo aplicado, realizado a temperatura ambiente (300K), donde se puede observar la magnetización de saturación (Ms) con un valor de 1.49 emu/g, también se observa que la curva carece de una magnetización remanente (Mr) y de un campo coercitivo (Hc), esto es característico de un material magnético con un comportamiento superparamagnético. Este comportamiento se debe a que las nanopartículas de Ni dispersas en la matriz polimérica son del tamaño de 2.6 nm, este tamaño es mucho menor al diámetro critico reportado para las nanopartículas de níquel de un solo dominio, de esta manera las nanopartículas de níquel que están dispersas dentro de la matriz polimérica de la CMC son susceptibles a fluctuaciones del tipo térmico. Por otra parte, los resultados obtenidos para el material híbrido magnético Co-CMC, se muestran en la figuras 9 y 10. La figura 9 muestra una imagen obtenida mediante TEM del material híbrido Co-CMC. En la figura 10 se muestran los resultados obtenidos a partir de magnetometría de muestra vibrante para el Co-CMC. La figura 10 muestra la curva de magnetización contra campo aplicado, realizada a temperatura ambiente (300K), donde se muestra la magnetización de saturación (Ms) de 3.73emu/g, también se puede observar la ausencia de la magnetización remanente (Mr) y de un campo coercitivo (Hc), al igual que en el caso anterior (para el Ni-CMC) este hecho, es característico de un material magnético con un Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Materiales híbridos magnéticos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. La síntesis de materiales híbridos nanoestructurados, utilizando como matriz polimérica a la Na-CMC es una alternativa importante ya que es posible obtener una dispersión homogénea de la parte inorgánica en la matriz orgánica. En ambos casos obteniendo primero un material precursor que posteriormente da origen al material híbrido magnético. Los resultados obtenidos en este trabajo de investigación deben ser considerados de mucho valor en lo referente a la producción de nuevos materiales híbridos polifuncionales con gran potencial en aplicaciones tecnológicas y médicas. Fig. 9. Imagen obtenida mediante TEM del material híbrido Co-CMC. Fig. 10. Curva de magnetización para la muestra de Co-CMC . comportamiento superparamagnético asociado a las partículas de Co dispersas en la matriz polimérica, las cuales son de un tamaño promedio de 7 nm. CONCLUSIÓN El estudio realizado de los materiales precursores mediante DRX y FTIR permite concluir, que en la obtención de los materiales precursores, la sal precursora correspondiente no formó cristales, lo cual se considera un indicador de la dispersión homogénea de los iones de cada sal en la CMC. El tratamiento químico utilizado produjo en ambos casos nanopartículas con propiedades magnéticas, dispersas de manera homogénea en la matriz polimérica de Na-CMC. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 BIBLIOGRAFÍA 1. Calvert, P.D., Polymers for new materials. Polymer, 1994. 35(21): p. 4484-4488. 2. Charles P. Poole, J. and F.J. Owens, Introduction to nanotechnology. first ed. 2003, New Jersey. U.S.A: John Wiley & Sons. 3. Ziolo, R.F., et al., Matrix-Mediated Synthesis of Nanocrystalline g-Fe2O3: A New Optically Transparent Magnetic Material. Science, 1992. 257(5067): p. 219-223. 4. Knobel, M., L.M. Socolovsky, and J.M. Vargas, Propiedades magnéticas y de transporte de sistemas nanocristalinos: conceptos básicos y aplicaciones a sistemas reales. Revista Mexicana de Física E, 2004. 50(1): p. 8-28. 5. Hasegawa, M., et al., Electrical and magnetic properties of γ-Fe2O3 epitaxial films. J Magn Magn Mater, 2007. 310(2): p. 2283–2285. 6. Millan, A., et al., Maghemite polymer nanocomposites with modulated magnetic properties. Acta Mater, 2007. 55(6): p. 2201– 2209. 7. 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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia Manuel García Méndez Centro de Investigación en Ciencias Físico-Matemáticas FCFM-UANL, CIIDIT-UANL mgarcia@fcfm.uanl.mx Dmitri Ivánovich Mendeléyev [1834 - 1907], pintado por Ivan Kramskoy. RESUMEN El año 2011 fue proclamado por la UNESCO como el año internacional de la química. Esta celebración centra sus esfuerzos en acercar a la química al público en general, incrementar en los jóvenes el interés por la química, así como generar un mayor entusiasmo acerca del futuro de la química para enfrentar los retos ambientales y tecnológicos del presente y del futuro. Diversos autores han ofrecido revisiones de cómo está situada la química en el ámbito mundial, nacional y local, su importancia en la vida diaria, su contribución, retos y oportunidades. En el marco de esta celebración, en este artículo se exploran los orígenes históricos que llevaron a la conformación de esta ciencia, así como los esfuerzos de la humanidad por entender las propiedades de la materia y clasificarla en lo que hoy se conoce como la Tabla Periódica de los Elementos. PALABRAS CLAVE Tabla Periódica, Modelo atómico de Böhr, Alquimistas, Radioactividad. ABSTRACT Year 2011 was declared by UNESCO as the International Year of the Chemistry. The celebration is focused in developing public interest on Chemistry, increasing the interest of young people on such field and to generate enthusiasm for the creative future of Chemistry for facing environmental and technological challenges. Several authors have exposed overviews about the state of art of the chemistry, its importance in everyday life, its contribution, challenges and opportunities. Within the context of this celebration, this paper will explore the very historical origins that lead to the birth of the Chemistry as well as the mankind effort to unveil the properties of the matter, and to classify it in what is currently known as the Periodic Chart of the Elements. KEYWORDS Periodic chart, Böhr´s Atomic Model, Alchemists, Radioactivity Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 13 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez LOS ORÍGENES En nuestra sociedad actual, tal parece que la investigación, desarrollo y aplicación de nuevos materiales están monopolizados por las ciencias algunas veces denominadas “duras” como son la física, la química y las distintas ramas de la Ingeniería. No siempre fue así: las primeras ideas de la materia surgieron de corrientes filosóficas y metafísicas cultivadas por sacerdotes, filósofos y similares de la antigüedad. Las bases de la filosofía occidental tienen sus orígenes en la Grecia Clásica, en el siglo sexto antes de Cristo (AC). Los filósofos griegos se cuestionaron la naturaleza de las cosas tanto en el ámbito material como espiritual. De esta manera, los griegos postularon que debe haber unas pocas sustancias simples, a partir de las cuales están constituidas todas las cosas. Estas sustancias (o elementos aristotélicos) eran el aire, la tierra, el fuego y el agua: si un material, por decir un metal era rígido, entonces estaba constituido principalmente por tierra. La miel, por ejemplo debía estar constituida principalmente por agua y de los otros elementos en menor proporción.1 Es importante aclarar que los postulados acerca de la naturaleza de la materia formuladas por los griegos, estuvieron influenciadas por ideas que surgieron de civilizaciones más antiguas. Los orígenes de la civilización griega se pueden trazar alrededor del año 2,000 AC, pero en ese tiempo ya existían civilizaciones muy desarrolladas en Mesopotamia, Egipto, Persia e India, donde la proximidad geográfica permitió el intercambio de ideas, pero incluso en civilizaciones aisladas (por decir Japón e incluso Mesoamérica), las ideas básicas acerca de la naturaleza de la materia y el espíritu presentan similitudes sorprendentes a las de sus contrapartes mas comunicadas entre sí.1,2 COMIENZA LA BÚSQUEDA: LA ALQUIMIA Remontémonos a Egipto, una civilización obsesionada con la idea de la vida después de la muerte. Al desarrollar el proceso de momificación, los sacerdotes egipcios, sin pretenderlo, adquirieron conocimientos básicos de química. Al momificar a un cuerpo, los egipcios no buscaban solamente conservarlo, sino encontrar una poción que otorgara la vida eterna. De este intento surgió la Alquimia 14 (figura 1). La práctica de la Alquimia también floreció en China y la India. Es un poco impreciso, pero se cree que la palabra alquimia se deriva de la palabra griega para nombrar a Egipto “Khemia”, a su vez tomada de la palabra egipcia “Khem” que se refiere a la tierra oscura que se depositaba en el Nilo después de las inundaciones. La palabra la adaptaron los griegos para describir las prácticas de los sacerdotes egipcios que buscaban la inmortalidad. Fig. 1. Cuadro de Joseph Wright, pintor inglés (17341797), “Alquimista buscando la piedra filosofal” (Museo de Derby, Inglaterra). El deseo de transmutar oro a partir de otros metales y de encontrar la manera de extender la vida a la inmortalidad, detonó el desarrollo de la alquimia y la búsqueda de la piedra filosofal (en latín “lapis philosophorum”). La función transmutadora y la de otorgar la vida eterna estaban relacionadas: se basaban en la característica del oro de oxidarse más lentamente que otros metales. De esta manera, el oro es inmortal. Por lo tanto, si descubrían como formar oro a partir de otros elementos, los alquimistas esperaban encontrar resultados similares para hacer al cuerpo humano inmortal (en el contexto actual, podríamos decir, esperaban encontrar un “antioxidante ideal”). Hoy en día sabemos que los alquimistas no lograron obtener los resultados que deseaban, pero de los antiguos alquimistas surgió otro tipo de especialistas: los científicos, que buscaban el conocimiento por sí mismo y de esta manera se llegó a la conformación de la primera ciencia moderna: la química.1 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez CAMBIO DE ESTAFETA: LA QUÍMICA A partir del siglo 17, el conocimiento acerca de la naturaleza de la materia se desarrolló a grandes pasos, donde los químicos gradualmente conformaron un inventario de elementos que constituyen la materia. En sus inicios, no parecía haber mucha relación entre los elementos individuales, pero con el tiempo fue surgiendo un patrón que conectaba elementos con propiedades similares que se representaron en forma tabular: estamos hablando del nacimiento de la Tabla Periódica de los Elementos. En 1789, el año de la Revolución Francesa, Lavoisier publicó Traité Elementaire de Chimie. En este tratado, Lavoisier introdujo la idea de los elementos químicos dándoles nombres: hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P), mercurio (Hg), zinc (Zn) y azufre (S). Con Lavoisier, la química se liberó de sus raíces alquímicas y se conformó como una ciencia (aunque Lavoisier aun incluyó a la luz y al calórico como elementos). Por sus servicios como cobrador de impuestos para el “establishment”, a los 50 años, Lavoisier fue declarado traidor y guillotinado por los revolucionarios. Dos años después, el Gobierno francés reconoció su error, pero el daño ya estaba hecho. Ya en el siglo 19, el químico alemán Julius Lothar Meyer y el químico inglés John Newlands en 1864 y 1865, respectivamente, dieron a conocer un patrón que relacionaba el peso atómico de grupos de elementos con propiedades químicas similares entre ellos. Newland colocó los 17 elementos conocidos por él en columnas, ordenándolos por peso atómico. Newland notó que los elementos en la misma columna tenían propiedades similares, pero el patrón se rompía en cuanto se adicionaban más elementos (tabla I). Tabla I. Tabla periódica propuesta por John Newlands en 1865. Hidrógeno (1) Litio (7) Sodio (23) Potasio (39) Berilio (9) Magnesio (24) Calcio (40) Boro (11) Aluminio (27) Carbono (12) Silicio (28) Nitrógeno (14) Fósforo (31) Oxígeno (16) Azufre (32) Flúor (19) Cloro (35) Entre 1868 y 1870, el químico ruso Dmitri Mendeleev publicó un libro de texto de dos volúmenes, Principios de Química, en donde clasificaba a los elementos de acuerdo a sus propiedades y describió el patrón que él percibió en lo que llamó Tabla Periódica. La tabla que él reporta se incluye en la tabla II. De la tabla, los elementos en cada columna tienen propiedades químicas similares y las diferencias en peso atómico son similares. La primera columna incluye el cloro (Cl), bromo (Br) y yodo (I) y las diferencias en peso atómico son 44.5 y 47. La segunda columna contiene potasio (K), rubidio (Rb) y cesio (Cs) con diferencias en peso atómico de 46 y 48. La columna final contiene calcio (Ca), estroncio (Sr) y bario (Ba) con diferencia en peso atómico de 48 y 49. De esta pequeña tabla, Tabla II. Tabla periódica propuesta por Dmitri Mendeleev en 1868. CI 35.5 Tratado elemental de química publicado por Lavoisier en París en 1789. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 K 39 Ca 40 Br 80 Rb 85 Sr 88 I 127 Cs 133 Ba 137 15 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez Mendeleev añadió nuevas columnas hasta construir una versión más completa de la Tabla Periódica.1,3 En esa época, aun había elementos que no habían sido descubiertos, por lo que Mendeleev dejó varios espacios sin llenar para no romper la continuidad de su Tabla Periódica. De esta manera, él predijo las propiedades químicas y peso atómico de los elementos faltantes. Con esta metodología, Mendeleev acertadamente anticipó el descubrimiento del germanio (Ge), galio (Ga) y escandio (Sc). De esta manera, la Tabla Periódica de Mendeleev significó un considerable progreso que reafirmó a la química como una ciencia con fundamentos sólidos. Nature, discutiendo el descubrimiento del núcleo atómico por parte de Rutherford, planteó que los elementos podían ser acomodados en orden creciente por número atómico. Posteriormente otro físico británico, Henry Moseley, al trabajar con Rutherford en Manchester, con sus experimentos de emisión característica de rayos X para diferentes elementos, le dio sustancia y reafirmó el fundamento físico del número atómico o número de electrones, denominado Z (figura 2).3 Fig. 2. Espectro de emisión de rayos X para el molibdeno. La transición más intensa Kα es característica de cada elemento. Tabla periódica de Mendeleev, publicada en 1869. OTRA CIENCIA SE UNE: LA FÍSICA Por otra parte, en 1911 ya se había establecido que los átomos estaban conformados por electrones que poseen carga negativa y por un núcleo muy compacto de carga positiva, donde el balance de cargas confería al átomo neutralidad eléctrica. De esta manera, del conocimiento de la carga, surgió la medición del número atómico de los elementos. Esto fue una contribución de otra Ciencia para entender la naturaleza de la materia: la Física.1,2 Con la información del número atómico, emergió otro patrón: para elementos ligeros la masa atómica es alrededor del doble del número atómico, pero para elementos pesados el cociente entre masa atómica y número atómico se vuelve más grande. En el contexto de la tabla periódica, en 1913 el físico holandés A van den Broek, en una carta a 16 El experimento de Moseley consistía en un tubo de rayos catódicos, donde el ánodo se podía intercambiar. Al aplicar una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo, se emitían rayos X del ánodo (la emisión de rayos X ya la había descubierto Röetgen en 1895). Con un espectrómetro, se medía la intensidad vs longitud de onda (λ). De sus resultados, Moseley notó que si graficaba la raíz cuadrada de la frecuencia característica Kα vs el número atómico, se obtenía una línea recta casi perfecta (figura 3). Con estos resultados se encontró un orden que no siempre coincidía con la masa atómica, pero daba consistencia a la Tabla Periódica. Por ejemplo, el cobalto (Co) y níquel (Ni) tienen número atómico 27 y 28, respectivamente, pero sus masas atómicas tiene un orden distinto (58.93320 y 586934 para Co y Ni, respectivamente).3 De esta manera, la Tabla Periódica comenzó a adquirir su conformación actual. Moseley nació casi 100 años después de la Revolución Francesa, en 1887 (en referencia a Lavoisier), pero su Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez Figura 3. Espectros de emisión de rayos X (radiación Kα) reportada por Moseley para distintos elementos atómicos. final fue casi igual de trágico. Moseley fue mandado a servir al frente de la campaña de Gallipoli en Turquía durante la Primera Guerra mundial. Murió en batalla en 1915 a los 28 años de edad. Con el conocimiento del núcleo atómico, la Tabla Periódica y los resultados de Moseley, se comprendió que las reacciones químicas también involucraban a los electrones y que la emisión característica de los rayos X estaba relacionada con el núcleo. La variación sistemática de la radiación Kα con el número atómico, llevó a concluir que precisamente el número atómico también representaba el número de carga positiva del núcleo. Posteriormente, Rutherford lo denominó protón. A partir de 1913, una serie de experimentos que culminaron con el realizado por el físico James Chadwick (1891-1974) en el laboratorio de Cavendish, llevó al descubrimiento del neutrón. Por el descubrimiento del neutrón, a Chadwick le fue otorgado el premio Nobel de Física en 1935. De esta manera, la estructura de los átomos ya había sido establecida: cada átomo consistía en un núcleo compacto de protones y neutrones. El número de protones proporciona el número atómico del elemento y el número combinado de protones y neutrones proporciona el peso atómico, denominado unidad de masa atómica (atomic mass units: amu). Sin embargo, aun faltan otros factores a tomar en cuenta para conformar de manera más sistemática la Tabla Periódica, como se explicará a continuación. En 1913, establecido en Manchester, Inglaterra, el físico danés Niels Böhr propuso un modelo de estructura atómica en donde los electrones orbitaban Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 el núcleo atómico a la manera de planetas alrededor del sol.4,5,6 Para el caso de los electrones, la fuerza electrostática es la que mantenía a los electrones girando alrededor del núcleo. En las órbitas electrónicas, el momento angular estaba cuantizado y restringía la energía de los electrones. Cada órbita se describía por un número entero “n” (en Mecánica Cuántica, n es el número principal), donde n=1 era el nivel energético mínimo, relacionado a la distancia mínima electrón-núcleo. Conforme n se incrementa, el electrón estará más alejado y por ende, energéticamente menos ligado al núcleo. El modelo de Böhr fue muy exitoso para explicar el espectro de emisión del átomo de hidrógeno, pero falló para elementos más pesados, aunque conservó su validez para algunos átomos como el sodio y el potasio (figura 4). Fig. 4. Modelo atómico de Böhr donde se describen (a) las órbitas de un electrón y (b) los niveles energéticos del electrón para un átomo tipo hidrógeno. Cuando el espectro de emisión del hidrógeno se analizó con más precisión, se encontró que las líneas predichas por la teoría de Böhr no eran únicas, sino que estaban conformadas por cúmulos de líneas muy cercanas entre sí. En 1922, el físico alemán Arnold Sommerfeld propuso que las órbitas de los electrones podían ser elípticas y que para cada valor principal n, había l posibles órbitas, donde l=n-1. Este número “l” se denominó número cuántico azimutal. De esta manera, la introducción de “l” explicó la separación de líneas dentro de una órbita n. Sommerfeld también introdujo el principio de cuantización en la orientación de la órbita del electrón en la componente angular, cuando se induce un campo magnético. Esta cuantización se expresa como mħ, donde m es el número cuántico magnético, que tiene valores enteros 2l+1, desde –l hasta +l. 17 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez La descripción del espectro de emisión del hidrógeno en términos de los números cuánticos “n”, “l” y “m” resultó buena, pero aun no se ajustaba por completo a lo detectado experimentalmente: un análisis minucioso arrojó que cada línea aparecía doble: Se necesitaba explicar el origen de este desdoblamiento. En 1922, los físicos Otto Stern y Walther Gerlach diseñaron un experimento, donde calentaban plata (Ag) en un horno hasta vaporizarla para producir un “jet” de átomos. Lo átomos se hacían pasar por una rejilla y se dirigían a una región de campo magnético donde eran deflectados y finalmente detectados en una pantalla. Se encontró que el haz de átomos de plata siempre se desdoblaba en dos haces al pasar por la región de campo magnético (figura 5). En su momento no lo pudieron explicar, ya que la plata tiene un único electrón en su capa de valencia 5s y en todas las subcapas s, el momento angular es cero. Fig. 5. Experimento de Stern-Gerlach. El haz de átomos de plata se divide en dos al pasar por la región de campo magnético. En 1925, los físicos Samuel Goudsmit y George Uhlenbech proporcionaron una explicación a este hecho, que después fue apoyada por el prominente físico austríaco Wolfang Pauli, premio Nobel de Física en 1945 (hay que mencionar que en un principio, Pauli se mostró reticente a la explicación, pero como buen científico y a la luz de las evidencias, cambió de opinión). Goudsmit y Uhlenbech explicaron el experimento de Stern-Gerlach en la base de que el electrón tenía un momento intrínseco que se denominó “spin” (en analogía, podemos pensar en un tipo de giro del electrón) que posee un momento angular y magnético asociado. Se puede españolizar como espín. Considerando el momento magnético “m”, el número de posibles orientaciones será 2l+1. Cada flujo de partículas tiene el número azimutal l. 18 Entonces, al pasar por la región de campo magnético, el haz se separará en dos haces 2l+1. Esto implicaría que 2l+1=2, ó l=1/2, lo cual parece inconsistente con lo que se ha planteado. Sin embargo, se encontró que los electrones tenían un momento de spin característico de ½, con lo que surgió el cuarto número cuántico o número de espín denominado “s”: el desdoblamiento de líneas en el espectro de emisión del hidrógeno llegó a una explicación satisfactoria. Aun más, el concepto de espín del electrón le proporcionó la componente final y una explicación más sistemática a la estructura electrónica de los átomos y a la estructura de la tabla periódica. En 1925, Pauli propuso la idea (conocida como Principio de exclusión de Pauli) que cada electrón se puede describir por un conjunto único de cuatro números cuánticos. Es el análogo a decir que cada electrón tiene su identidad propia. La solución a la ecuación del átomo de hidrógeno en coordenadas esféricas (propuesta e interpretada por el físico teórico alemán Erwin Schrödinger, premio Nobel de Física en 1933), le proporcionó una base teórica muy firme a los resultados experimentales obtenidos del espectro de emisión del átomo de hidrógeno. De la solución a esta ecuación, surgen los números cuánticos n, l y ml y con ellos, el número de orbitales disponibles para el llenado de electrones en su estado base (ground state). Cada solución que va surgiendo se denomina función de onda y en términos matemáticos, es una solución de armónicos esféricos que involucra polinomios de Legendre. La solución se expresa como Ψnlm (r, θ, ϕ), donde n, l y m son los números cuánticos y r, θ y ϕ son las componentes radial, polar y azimutal, respectivamente, en coordenadas esféricas. Cada solución estará dada por un conjunto único de índices (n, l, ml) que definirán un estado cuántico del sistema. Un estado cuántico es un nivel energético o simplemente, la órbita que describe cada electrón alrededor del núcleo. Entonces, los términos órbita y nivel electrónico son equivalentes en significado.4,5 Los números cuánticos que surgen de las condiciones de frontera al resolver la ecuación de Schrödinger son los siguientes: n= 1,2,….; l= 0,1,…n1; m=0, ±1, ±2,… ±l. Entonces, con cada solución se conforman los niveles en capas principales (número “n”) denominadas K (n=1), L (n=2), M (n=3) y N Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez Cada subcapa tiene una forma distinta, por eso al número cuántico “l” se le puede denominar como “la forma” de la órbita del electrón, mientras que el número principal “n” se le puede denominar “la distancia” del electrón al núcleo. El número “ml” se le puede denominar a las posibles alineaciones del electrón que surgen de aplicar un campo magnético (figura 7). El número de espín “s” se le puede denominar el giro intrínseco del electrón (un análogo a que gira sobre su propio eje), que toma valores de ½ (giro “hacia arriba) y - ½ (giro “hacia abajo”).4,6 De esta manera, la tabla periódica actual está ordenada de acuerdo a las propiedades electrónicas de los átomos que conforman cada elemento en particular, donde las propiedades químicas de un elemento dependen de la manera en la cual sus electrones de valencia interactúan con los electrones de valencia de otros elementos. Por ejemplo, la configuración electrónica del He, Ne y Ar es la siguiente: He: 1s2 Ne: 1s22s2p6 Ar: 1s22s2p63s2p6 Estos elementos tienen la característica común de ser gases nobles y tener una configuración de capa llena. Estos elementos son químicamente inertes. No tienen capacidad de formar compuestos con ellos mismos o con otros elementos. Por ejemplo, para el H, Li y Na se tiene: H: 1s1 Li: 1s22s1 Na: 1s12s22p63s1 Estos elementos tienen un solo electrón en su última capa. El Cloro: Cl: 1s22s2p63s2p5 Le falta un electrón en su última capa. Entonces, todos los elementos a la izquierda (H, Li, Na) pueden ceder su electrón externo al cloro y formar compuestos iónicos. El número de electrones que un átomo pierde o gana define su valencia. Entonces el Na y el Cl tienen valencia 1, con la diferencia que el Na es electropositivo y el Cl es electronegativo. Por ejemplo, el cloruro de magnesio (MgCl2) el Mg tiene valencia 2, le cede sus electrones a dos átomos de cloro. Fig. 7. Representación del número cuántico ml: (a) la órbita de un electrón y su equivalente representado por un imán (b) posibles orientaciones del número magnético. ORDENAMIENTO DE LOS ELEMENTOS POR ESTRUCTURA ELECTRÓNICA Basado en la configuración electrónica, la tabla periódica se estructura en columnas y filas, denominados grupos y períodos, respectivamente.4 Los elementos del mismo grupo trabajan con la misma valencia y tienen características muy similares entre sí. La clasificación de 18 grupos con números arábigos se implementó por la IUPAC (International (n=4). Después del N seguirían en resto de las letras del abecedario. Cada capa principal se subdivide en subcapas de momento angular “l” (recordemos que estas subcapas van desde o hasta n-1). Las subcapas se denominan “s” (de “sharp”, l=0), “p” (de “principal, l=1), “d” (de “difuse”, l=2) y “f” (de “fundamental”, l=3). Cada subcapa s, p, d y f se puede llenar con 2, 6, 10 y 14 electrones, respectivamente. De estas reglas, entonces la capa K tiene un subnivel s, la capa L subniveles s y p, la capa L subniveles s, p, d y finalmente la capa M con subniveles s, p, d, f (figura 6).4,5 Fig. 6. Secuencia de llenado de electrones en capas y subcapas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 19 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez Union of Pure and Applied Chemistry)3 a partir de 1988, ya que la designación de grupos A y B es en cierta medida arbitraria. Los elementos de una misma fila tienen propiedades diferentes, masas atómicas similares y el mismo número de orbitales. De esta manera, el ordenamiento basado en la configuración electrónica permitió en su momento ubicar elementos químicos antes de ser descubiertos, un ejemplo notable de esto son los gases nobles, detectados posteriormente en espectros de emisión del sol. Los elementos desde Z=1 (hidrógeno) hasta Z=92 (uranio) existen en la naturaleza, con excepción del Z=43 (tecnecio) y Z=61 (prometium). Los elementos del Z=93 (neptunio) en adelante se producen de manera artificial, presentan comportamiento radiactivo y tienden a ser muy inestables. El elemento Z=94 (plutonio) es relativamente estable y decae en neptunio (Z=93) por emisión de partículas alfa (partículas de helio).1,3 LA TABLA PERIÓDICA Y LOS MATERIALES DE LA ACTUALIDAD La tabla periódica actual permite conocer las propiedades de los elementos y la probabilidad de ser combinados y/o sustituidos por otros. A su vez, el desarrollo de nuevos materiales y dispositivos dependen en gran medida de la comprensión de los materiales a nivel elemental, que se hace a través de experimentos y análisis teóricos. Esto permitió el surgimiento de los materiales semiconductores artificiales (no se encuentran en la naturaleza), resultado de combinar elementos del grupo II-VI (por ejemplo ZnO)7 o del grupo III-VI (por ejemplo, AlN),7 que junto con el silicio, forman la base de la tecnología actual de semiconductores. También, combinando el Si con metales nobles y refractarios, surgieron los siliciuros de metales de transición8 (desde el grupo del Sc hasta el Zn), que hoy en día son objeto de estudio por sus potenciales aplicaciones como contactos tipo metal. De la tabla periódica también es posible predecir combinaciones e incluso estudiar de manera teórica, las propiedades de algún compuesto aún no descubierto o sintetizado experimentalmente, por ejemplo el C3N4, propuesto en 1989 por A. Liu y M. Cohen como un material que poseía una dureza superior al diamante9 (este material aun presenta muchas dificultades para ser sintetizado mas allá de micro cristales, pero la ruta ya está trazada y se trabaja al respecto). Con esta metodología, ha sido posible contar con aleaciones y compuestos desde los más simples hasta los más complejos. Fig. 8. Tabla periódica de los elementos, conformación actual. 20 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez LA MODERNA PIEDRA FILOSOFAL Es evidente que las propiedades de la materia resultaron por mucho, ser más complicadas que las ideas simples propuestas por los griegos, ya que de cuatro elementos, el número se incrementó a 92. Sin embargo, las ideas filosóficas de los griegos se fundaban en que toda teoría debe partir de una explicación simple y los experimentos de la física, sobretodo de los albores del siglo 20, al demostrar que había tres componentes básicos de la materia: protones, neutrones y electrones, restauraron un poco la simplicidad de las ideas iniciales. Obviamente se ha descubierto que el núcleo atómico no consta solamente de protones y neutrones, sino de una “flora y fauna” de partículas más elementales. La búsqueda de las componentes aun más elementales de la materia sigue su curso hoy en día. En cuanto a la transmutación de elementos, regresemos al fenómeno de la radioactividad: la radioactividad se produce cuando se rompe el núcleo de un átomo, produciéndose en consecuencia la emisión de partículas y radiación, donde un elemento se puede transformar en otro: ¡transmutación de la materia! En la “alquimia moderna” (llamándola así en el contexto de convertir un elemento en otro), un elemento se puede “transmutar” en otro bombardeándolo con partículas (partículas de helio alfa, protones, neutrones) o radiación (rayos gamma). Los alquimistas de la antigüedad utilizaban sustancias peligrosas y explosivas (pólvora, azufre) para tratar de trasmutar los elementos, sin embargo hoy sabemos que se requieren cantidades aun más grandes de energía para lograr tal fin, solo alcanzable por medio de reacciones nucleares. Por ejemplo, para remover un electrón de un núcleo de hidrógeno en su estado base (expulsarlo del nivel 1s) se requieren solamente 13.6 eV (alcanzable con una descarga eléctrica). Para convertir un isótopo estable de27 Al en uno estable de.30 Si con bombardeo de 4He, se requieren 4.01 MeV (donde 1 MeV= 1;000,000 de eV) y esto para obtener cantidades pequeñas, si acaso miles de átomos, ni siquiera gramos de un material (Al) transmutado en otro (Si). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 En 1980, el físico norteamericano y premio Nobel de Química 1951 Glenn Theodore Seaborg (19121999) logró obtener unos miles de átomos de oro (Au) extrayendo tres protones al plomo (Pb),1,2 pero también en este caso, el gasto en energía para obtener unos cuantos miles de átomos de oro, excedería por mucho la posible ganancia. Por otra parte, el promedio de vida en la antigüedad y hasta bien entrado el siglo 19, era de 40 años (para nosotros es difícil imaginar que incluso bien entrado el siglo 19, la calidad de vida de toda la población mundial era poco más que miserable). Con medidas relativamente simples implementadas en el siglo 20, como lavarse las manos con agua y jabón, drenaje, vacunas, ácido fólico para las futuras madres y yodo en la sal para la población, aunados a “máquinas cuánticas” para tratamientos médicos (rayos X, resonancia magnética, emisión de positrones, láseres), la esperanza de vida se elevó de 40 a 75 años (en todo el planeta, sin excepción, se ha elevado, en menor o mayor medida). CONCLUSIONES: CERRANDO EL CÍRCULO La tabla periódica resume, literalmente, miles de años de esfuerzo de la humanidad en plantear, comprender y reformular preguntas relacionadas con nuestras necesidades materiales, objetivas y subjetivas, pero indudablemente existen muchos retos que resolver como sociedad en conjunto, donde las soluciones deben estar disponibles casi de inmediato. Actualmente se ha dejado en manos de los científicos el encontrar la solución a los problemas de medio ambiente, energía, alimentación, salud, etc., pero no hay que olvidar que la ciencia persigue el conocimiento de las cosas, conocimiento que quizá en el momento no tenga aplicaciones inmediatas. Sin embargo, más conocimiento significará contar con más herramientas para enfrentar mejor el futuro y tomar mejores decisiones. Por esta razón, la inversión en infraestructura material y formación de nuevos científicos debe ser constante. Hoy en día, la investigación científica tiende a ser cada vez más multidisciplinaria, sin embargo, es importante reconocer la contribución que ha tenido la química en la conformación de la sociedad actual. 21 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez BIBLIOGRAFÍA 1. Michael M. Woolfson, Materials, Matter and Particles: A Brief History. 2010. Imperial College Press, London. ISBN 13 978-1-84816-459-8. 2. Keith J. Laidler, To light such a candle. 1998. Oxford University Press. Oxford. ISBN 0-19850056-4. 3. John Emsley, The Elements. 1998. Claredon Press, Oxford. ISBN 0-19-855819-8. 4. John P. McKelvey, Solid State Physics for Engineering and Materials Science. Krieger Publishing Company, Florida. ISBN 0-89464436-X. 5. Richard W. Robinet. Quantum Mechanics: Classical results, Modern Systems and Visualized 6. 7. 8. 9. Examples. 1997. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-509202-3. Phillip R. 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INSTITUCIONES PARTICIPANTES: Acoustical Society of America, Asociación Mexicana de Ingenieros y Técnicos en Radiodifusión, Cámara de la Industria de la Construcción, Del. Oaxaca, Cenidet, Centro Nacional de Metrología, CIIDIR Oaxaca, Colegio de Ingenieros en Comunicaciones y Electrónica, Instituto Guerrerense de la Cultura, Instituto Politécnico Nacional, Instituto Tecnológico Superior de Uruapan, Tecnológico de Veracruz, Universidad Autónoma de Nuevo León, Universidad de Guadalajara, Universidad de Guanajuato, Universidad de las Américas en Puebla, Universidad Latina de América, Universidad Tecnológica Vicente Pérez Rosales (Chile). SEDE: Centro de Convenciones del Hotel Real de Naturales, Cholula, Puebla. INFORMACIÓN Coordinación General: M.Sc. Sergio Beristáin: sberista@hotmail.com TEL. (52 - 55) 5682 - 2830, 5682 - 5525, FAX (52 - 55) 5523 - 4742 Coordinación Cholula: Ing. Francisco Javier Sánchez Díaz: pacos33@hotmail.com TEL. 01 2222 85 19 81, FAX 01 2222 88 7909, CEL. 045 2223 132271 22 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 dopado con indio y níquel Leticia M. Torres-Martínez, Miguel A. Ruiz-Gómez Departamento de Ecomateriales y Energía, de la Facultad de Ingeniería Civil, Instituto de Ingeniería Civil, UANL lettorresg@yahoo.com RESUMEN En este trabajo se presenta la síntesis mediante el método sol-gel de dióxido de titanio nanocristalino dopado con indio y níquel. La influencia en las propiedades estructurales, texturales y catalíticas fueron investigadas. La presencia de indio y níquel en la titania influyó de manera significativa sobre el tamaño de cristal y la transición de la fase anatasa-rutilo. Las características finales debido a la inclusión de indio en la titania mejoraron la capacidad para la adsorción del gas óxido nítrico. En los materiales de titania dopada con níquel, el tamaño de cristal y el contenido óptimo de níquel fueron los factores más importantes para la degradación del colorante rojo alizarín S. PALABRAS CLAVE TiO2, método sol-gel, tamaño de cristal, adsorción de óxido nítrico, degradación de colorantes. Artículo basado en el proyecto “Efecto del dopaje de indio y níquel en las propiedades texturales, estructurales y catalíticas de polvos nanométricos de titania preparada por sol-gel”, el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2011, en la categoría de Ciencias Exactas, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 8 de septiembre de 2011. ABSTRACT This paper presents the synthesis by sol-gel method of nanocrystalline doped indium and nickel titanium dioxide. The effect on structural, textural and catalytic properties was investigated. The presence of indium and nickel had an important influence on crystal size and anatase-rutile transition phase of titania. The final characteristics obtained by the inclusion of indium in titania enhanced the properties of these materials to adsorb nitrogen oxide gas. In materials of nickel doped titania, the small crystal size and optimal nickel content were important factors in degradation of alizarin red S dye. KEYWORDS TiO2, sol-gel method, crystal size, nitric oxide adsorption, dyes degradation. INTRODUCCIÓN Actualmente la ciencia y tecnología de materiales se enfoca en el diseño de nuevos materiales superfuncionales mediante el control y manipulación de su composición, fases presentes y defectos nanoestructurales, con el fin de obtener las propiedades específicas para satisfacer múltiples aplicaciones. Con el desarrollo de la nanotecnología y la sinergia entre diversas disciplinas científicas se ha logrado Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 23 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. diseñar materiales con propiedades y características muy específicas, las cuales han coadyuvado tanto a la aplicación de estos como al desarrollo de tecnologías emergentes en la comunicación, transporte, energía, medicina y medio ambiente. El desarrollo de nuevos materiales depende principalmente de la aplicación que estará en función de sus propiedades, su composición y su tamaño. El control de las propiedades y su diseño mismo ha sido posible gracias al entendimiento de los fenómenos fisicoquímicos que ocurren en la síntesis. Entre los métodos de preparación se puede mencionar el sol-gel, hidrotermal, co-precipitación, coloidal y solvotermal, principalmente, en los cuales la química juega un papel importante ya que se trata de un control termodinámico y cinético que se lleva a cabo bajo condiciones moderadas de reacción. Hoy en día, existe un gran interés en investigar las propiedades fisicoquímicas de materiales semiconductores para su aplicación en el área de la catálisis heterogénea. En dicha área el dióxido de titanio (TiO2) es el material más ampliamente usado e investigado debido a sus propiedades eléctricas y ópticas, buena estabilidad química, resistencia a la foto-corrosión y gran poder oxidante.1-6 El TiO2 presenta tres polimorfos conocidos, la anatasa, rutilo y broquita.7 No obstante, la anatasa es la fase más usada en la catálisis heterogénea. Por dicha razón, es importante controlar la transición de fases en el dióxido de titanio. Se ha reportado que la fase rutilo es más estable en tamaño microscópico, mientras que la estructura de la anatasa es termodinámicamente más estable cuando el tamaño de cristal es menor a 14 nm.8,9 Se ha llegado a la conclusión9 que las nanopartículas amorfas de la titania se transforman en anatasa, una vez que el cristal posee un tamaño superior a 2.5-3 nm. Además se ha reportado10 que la transición anatasa-rutilo depende de los reactivos y condiciones de la síntesis, así como la forma y tamaño de partícula. El TiO 2 es un catalizador muy eficiente para eliminar sustancias tóxicas presentes en el ambiente.11-18 Además el TiO2 posee la capacidad de adsorber gases sobre su superficie. Debido a sus interacciones superficiales, el TiO2 puede ser usado para descomponer gases de invernadero y compuestos tipo NOx presentes en la atmósfera.19-25 24 En la actualidad, muchas investigaciones a nivel mundial están enfocadas en modificar las propiedades fisicoquímicas y mejorar la actividad catalítica del TiO2. La eficiencia del dióxido de titanio está relacionada principalmente con su estructura cristalina y morfología, y es aquí donde el método de síntesis juega un papel importante. Durante la síntesis del TiO2 diversos elementos químicos han sido utilizados como dopantes,26-28 en particular, los metales son muy usados debido a que actúan como aceptores de electrones y minimizan la recombinación de las cargas generadas. Sin embargo, cuando su contenido excede la cantidad óptima, los metales actúan como sitios de recombinación de cargas, provocando una disminución notable en la actividad catalítica.21,29-37 La transición anatasa-rutilo puede ser modificada debido a la presencia de ciertos iones durante el crecimiento de la partícula del TiO2.38-40 Se ha establecido10 que dopantes con carga 4+ incrementan la temperatura de transición anatasa-rutilo mientras que dopantes de diferente ó variable valencia disminuyen la temperatura de este proceso, con excepción del Al3+. El indio presenta un estado de oxidación 3+ como más estable, su mayor radio iónico y su tendencia por un número de coordinación mayor, igual a 8, podría promover la estabilización de la estructura cristalina anatasa.26,41,42 Por otro lado, el níquel presenta un estado de oxidación de 2+ y su radio iónico es relativamente similar al del Ti4+, además el Ni2+ también puede formar una coordinación octaédrica como el Ti4+. El presente trabajo está enfocado en determinar la influencia del dopaje de los metales indio y níquel en el TiO2, sobre la estructura cristalina, tamaño de cristal y transición de las fases de la titania sintetizada por el método sol-gel. Además, se discuten algunas relaciones del efecto del indio y níquel en las propiedades texturales y catalíticas para la adsorción de óxido nítrico y la degradación fotocatalítica del colorante rojo alizarín S. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Síntesis del TiO2 dopado con indio En un matraz se colocaron 34.92 g de butóxido de titanio (Aldrich 97%) y 250 mL de alcohol Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. etílico. Dicha solución se colocó en un sistema a reflujo a 70°C con agitación constante y después se adicionaron 6 mL de ácido nítrico. El sistema se mantuvo en agitación durante 10 minutos para homogeneizar la mezcla. Posteriormente, se adicionó agua mediante goteo hasta la obtención del gel y se dejó en reflujo por 30 minutos. El secado se realizó a 70°C. Las muestras dopadas con indio fueron preparadas de la misma manera descrita anteriormente, a diferencia de que después de agregar el ácido nítrico, se añadió una disolución acuosa de In(NO3)3 • 5H2O (Aldrich) para dopar el TiO2 con porcentajes teóricos de indio de 1 y 5%. Los materiales sintetizados fueron tratados térmicamente a 400 y 600°C durante 4 horas bajo atmósfera de aire. Síntesis del TiO2 dopado con níquel Primero se disolvió la sal de Ni(NO3)2 6•H2O (Aldrich) en 0.1715 moles de alcohol etílico para obtener porcentajes teóricos de níquel entre 0.5 y 6%. Después, en un matraz se mezclaron 0.5144 moles de alcohol etílico y 1.1111 moles de agua al cual se le adicionaron 0.1292 moles de butóxido de titanio (Aldrich 97%) y la disolución correspondiente de nitrato de níquel. La condensación se hizo a 80ºC durante 48 horas. El material se secó a 80ºC por 12 horas. Esta metodología se siguió de igual manera para sintetizar el TiO2 sin dopar, en donde solamente se utilizó como precursor el butóxido de titanio bajo las mismas condiciones de síntesis antes descritas. Los materiales sintetizados fueron tratados térmicamente a 400 y 600°C durante 4 horas bajo atmósfera de aire. CARACTERIZACIÓN Los materiales sintetizados fueron caracterizados mediante las técnicas de Difracción de Rayos X en polvos (DRX), Análisis Térmico Gravimétrico y Diferencial (ATG/ATD), Espectroscopía de Infrarrojo (IR), Espectroscopía UV-Vis para sólidos y Espectroscopía Micro-Raman. Además mediante la fisisorción de nitrógeno se determinó el área superficial específica (método BET) y la distribución de tamaño de poro (método BJH). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 PRUEBAS CATALÍTICAS Adsorción de NO con TiO2 dopado con indio Las pruebas se realizaron en un reactor que consiste de una cámara de vacío acoplada a un espectrofotómetro de infrarrojo, bajo sistema continuo. Para el análisis, se colocó la muestra a evaluar en una celda DRIFT, acoplado con un sistema de calentamiento que permitió operar bajo diferentes condiciones de reacción. Dentro de la cámara se colocó 0.1g de la muestra soportada sobre una malla metálica y posteriormente se hizo pasar un flujo de aire sintético y se calentó hasta 250°C, la muestra permaneció durante 1 hora y después se enfrió a 50°C para obtener un espectro de referencia. La muestra fue expuesta a un flujo de gas conteniendo helio (14.6% O2) mezclado con 1,000 ppm de óxido nítrico (NO). Los gases de salida fueron recolectados en una celda para análisis de gases por FTIR para determinar la presencia y concentración de los óxidos de nitrógeno (NO, N2O, NO2). Evaluación fotocatalítica con TiO2 dopado con níquel Para estas pruebas, se empleó un reactor tipo batch en el cual se colocaron 150 mL de la disolución del colorante rojo alizarín S (60 ppm) y 50 mg del sólido a evaluar. Como fuente de irradiación se usó una lámpara UV tipo pluma con longitud de onda de 365 nm e intensidad de 1,280 μW/cm2. Durante la reacción, se tomaron alícuotas periódicamente usando filtro de nylon de 0.45 μm para eliminar el sólido y se analizaron mediante espectrofotometría de UV-vis. La variación de la concentración se determinó considerando la intensidad de la banda de absorción máxima (260 nm) del colorante, en función del tiempo. Antes de realizar las pruebas fotocatalíticas se efectuaron pruebas de adsorción para establecer las condiciones adecuadas para la reacción de degradación. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Difracción de rayos X en polvos Materiales de TiO2 dopado con indio En la figura 1 se presentan los patrones obtenidos de los materiales de titania sin indio, en los cuales se 25 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. Fig. 1. Patrones de DRX en polvos de titania sin indio: (a) xerogel secado a 70°C y de los polvos tratados a: (b) 400°C; (c) 600°C. A= Anatasa; R= Rutilo; B= Broquita. Fig. 2. Patrones de DRX en polvos de los materiales calcinados a 600°C: (a) sin indio; (b) 1% de indio; (c) 5% de indio. A= Anatasa; R= Rutilo; B= Bruquita. puede apreciar claramente que en el xerogel seco ya se detecta la presencia de la fase anatasa, sin embargo es probable que exista una gran cantidad de material amorfo. En el material tratado a 400°C se mantiene la fase anatasa pero además se observaron débiles reflexiones asociadas con las fases bruquita y rutilo. Finalmente, a 600°C se transformó una gran cantidad de la anatasa en rutilo, siendo ésta la fase principal. Por lo tanto, es posible deducir que la cristalización se obtiene a bajas temperaturas, presentándose con el secado del gel a 70°C. Durante el tratamiento térmico, conforme se incrementa la temperatura se aumenta la cristalinidad y toman lugar los procesos de transformación de fases, en donde el más notorio ocurre a 600°C. Los materiales dopados con indio al 1.0 y 5.0 %, presentaron patrones de DRX muy similar. En los xerogeles obtenidos se observó la fase anatasa. La presencia de la anatasa como única fase cristalina se mantuvo en los materiales dopados con indio tratados a 400ºC. Sin embargo, a 600°C los sólidos de TiO2 con 1.0% de indio presentan una pequeña cantidad de rutilo. En la figura 2 se muestran los materiales tratados a 600ºC, en este caso se puede apreciar que la titania con 5% de indio, está constituida solamente por anatasa. Las intensidades de las reflexiones principales de rutilo fueron menores en la titania con 1% de indio respecto al material de TiO2 sin dopar. Estos resultados muestran que, conforme se incrementa el porcentaje de indio en la titania, la fase anatasa se estabiliza. De los datos presentados en la tabla I, es posible comparar el tamaño de los cristales en cada material a diferentes temperaturas. Se aprecia que todos los xerogeles de TiO2 contienen la fase anatasa con un tamaño del cristal de entre 3.2-3.8 nm. Según Zhang y Banfield,9 este es el tamaño óptimo para la producción de cristales de anatasa, por lo tanto la anatasa puede ser obtenida a más bajas temperaturas utilizando el método sol-gel descrito en este trabajo. En la misma tabla I, se observa que la titania con 1% de indio y sin indio, tratada a 600ºC tuvieron valores similares de tamaño de cristal de la anatasa (~17 nm) y del rutilo (~27 nm). En los sólidos de TiO2 con 5% de indio, se observó que el crecimiento del cristal fue más lento y alcanzó un tamaño aproximado de 8.5 nm para la fase anatasa a 600°C. Con estos resultados se puede asumir que dicho porcentaje de indio es el adecuado para el control de la formación de la fase de rutilo. En la tabla II se muestran los porcentajes calculados para cada fase presente en las muestras de titania. Es evidente que la cantidad de la fase de rutilo disminuye con el incremento de indio, hasta no ser detectada en las muestras con 5% de indio. La fase bruquita fue encontrada solamente en los materiales de TiO2 puro y con 1% de indio tratados a 400°C. 26 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. Tabla I. Tamaño de cristal para la fase de Anatasa y Rutilo presentes en las muestras de TiO2. Muestras TiO2 In(1%)/TiO2 In(5%)/TiO2 Temperatura (°C) Xerogel 400 600 Xerogel 400 600 Xerogel 400 600 Tamaño de Cristal (nm) Anatasa Rutilo (101) 3.2 5.8 17.0 3.8 6.0 16.3 3.7 4.5 8.5 (110) 9.0 27.3 9.0 27.2 - * La reflexiones (101) y (110) son los principales planos de las estructuras de anatasa y rutilo respectivamente. Tabla II. Porcentaje de las fases de anatasa, rutilo y bruquita presente en muestras de TiO2. Muestras % Anatasa TiO2-xerogel 100.0 TiO2-400° C 65.2 TiO2-600° C 19.6 In(1%)/TiO2-xerogel 100.0 In(1%)/TiO2-400° C 83.1 In(1%)/TiO2-600° C 87.9 In(5%)/TiO2-xerogel 100.0 In(5%)/TiO2-400° C 100.0 In(5%)/TiO2-600° C 100.0 % Rutilo % Bruquita 0 0 14.7 20.1 80.4 0 0 0 6.0 10.9 12.1 0 0 0 0 0 0 0 Materiales de TiO2 dopado con níquel En la figura 3 se presentan los difractogramas de titania sin dopar, en los cuales se observa claramente que el xerogel seco ya presenta reflexiones características de la fase cristalina anatasa (figura 3a), este resultado coincide con lo observado anteriormente para los materiales de TiO2 dopados con indio. Por lo tanto, la presencia de la fase anatasa en el xerogel obtenido en los materiales de TiO2 dopado con indio y con níquel puede ser atribuido directamente al método de síntesis, en este caso, la ruta sol-gel. Por otro lado, en la muestra tratada a 400ºC (figura 3b) se observa que la intensidad aumentó debido al tratamiento térmico, además se mantiene la anatasa como única fase cristalina presente, de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Fig. 3. Patrones de difracción de rayos X en polvos del TiO2 sin dopar: (a) xerogel secado a 80ºC, y del material tratado térmicamente a: (b) 400ºC y (c) 600ºC. A = Anatasa y R = Rutilo. acuerdo con las reflexiones a 2θ = 25.3º, 37.8º, 48.0º, 53.9º y 62.7º correspondientes a los planos cristalográficos 101, 004, 200, 105 y 204 con base al patrón JCPDS #21-1272. Cuando la muestra fue tratada a 600ºC (figura 3c), se observa mayor intensidad de las reflexiones de la fase anatasa. Además, se logró detectar una pequeña reflexión a 2θ = 27.4º, la cual corresponde a la más intensa de la fase cristalina rutilo, plano cristalográfico 110, de acuerdo al patrón JCPDS # 21-1276. Es importante mencionar que en ninguno de los materiales se logró detectar reflexiones atribuidas a la broquita. En las muestras de TiO2 sin dopar y dopado con níquel, tratados a 400ºC, se observó que todos los materiales presentaron como única fase cristalina la anatasa. En la figura 4 se presentan los difractogramas de los materiales tratados a 600ºC, donde se observa que todos los materiales tienen como fase cristalina principal a la anatasa. Específicamente, para el sólido de TiO2 sin dopar se detectaron reflexiones características de la fase anatasa en una mayor proporción, y pequeñas reflexiones pertenecientes al rutilo. En la titania con 0.5 y 3% de níquel se observó solamente la fase anatasa, indicando que la presencia de níquel provoca que la transición de la fase anatasa a rutilo se retarde. Finalmente, cuando el dopaje de níquel es del 6%, las reflexiones observadas corresponden a las fases anatasa, titanato de níquel y rutilo. 27 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. Tabla III. Tamaño de cristal para la fase Anatasa y Rutilo presentes en las muestras de TiO2. Muestra TiO2 TiO2- 0.5%Ni Fig. 4. Patrones de DRX de los materiales tratados térmicamente a 600ºC, para: (a) TiO2 sin dopar, y TiO2 dopado con: (b) 0.5%, (c) 3% y (d) 6% de níquel. A = Anatasa, R = Rutilo y TN = Titanato de níquel. Los resultados anteriores revelan que el dopaje de níquel influyó significativamente en la estructura cristalina de la titania. Se observó que usar entre 0.5 y 3% de níquel es suficiente para retardar la transición de la fase anatasa-rutilo. Esto difiere con lo encontrado para el dopaje con indio, en donde la fase anatasa se estabiliza hasta un contenido del 5%. Esto es un indicativo de que la influencia de cada metal sobre la estructura de la titania es diferente. Se ha reportado que algunos metales como el cobre aceleran la cristalización del rutilo, mientras que el cerio y lantano la retrasan.40 De acuerdo con la tabla III, el dopaje de níquel influyó significativamente en la disminución del tamaño de cristal de la fase anatasa. Se detectó que el xerogel presenta los valores más pequeños de cristal de la fase anatasa, variando entre 5.1 a 6.4 nm. En los materiales tratados a 400ºC, se observa que conforme el contenido de níquel aumenta, el tamaño de cristal disminuye hasta 7.8 nm para un contenido de 6% de níquel. Para los materiales tratados a 600ºC, se observa que el menor tamaño de cristal de la fase anatasa (46 nm) se presenta con un contenido de 3% de níquel. La tendencia observada en estos materiales respecto al tamaño de cristal de la anatasa tiene el siguiente orden: TiO2-Ni 3% < TiO2-Ni 1.5% < TiO2-Ni 0.5% < TiO2-Ni 6% < TiO2-sin dopar. Los resultados de la tabla III, revelaron que no hay una tendencia en común respecto a la disminución 28 TiO2- 1.5%Ni TiO2- 3%Ni TiO2- 6%Ni Temperatura (ºC) Xerogel 400 600 Xerogel 400 600 Xerogel 400 600 Xerogel 400 600 Xerogel 400 600 Tamaño de Cristal (nm) Anatasa Rutilo (101) (110)* 6.4 ** 14.3 ** 69 51 6.3 ** 14.4 ** 49 ** 6.1 ** 11.7 ** 48 ** 5.5 ** 10.8 ** 46 ** 5.1 ** 7.8 ** 50 46 del tamaño de cristal en los materiales tratados a las diferentes temperaturas. Esta diferencia podría estar relacionada con las diversas fases cristalinas observadas, ya que a 400ºC se detectó solamente la presencia de la anatasa en todos los sólidos, mientras que a 600ºC se observaron las fases anatasa, rutilo y titanato de níquel en algunos casos. Sin embargo, lo que sí fue evidente es que mediante el dopaje con 0.5, 1.5 y 3% de níquel se logró evitar la transición de la fase anatasa-rutilo. De acuerdo con los resultados del tamaño de cristal, se observó que la presencia de níquel en un porcentaje mayor al 0.5% en la estructura de la titania evita el crecimiento de los cristales de la fase anatasa. El efecto anterior podría atribuirse a la introducción de iones Ni 2+ durante el proceso de síntesis, generando la modificación de la carga superficial de las partículas de TiO2 evitando su interacción. Otra posibilidad está asociada directamente con las propiedades fisicoquímicas del níquel (radio iónico, electronegatividad, número de coordinación), ya que se ha reportado que no todos los dopantes tienen la propiedad de retardar la cristalización del TiO2. Kubacka36 reportó que los iones de vanadio y niobio provocan un aumento en el tamaño cristal de la anatasa al incrementar la cantidad de dopante. Mientras que el dopaje con molibdeno y wolframio Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. provoca la disminución del tamaño de cristal conforme el contenido de dopante aumenta. En la figura 5, se presentan los espectros Raman de las muestras de TiO2 sin dopar, tratados a diferentes temperaturas. Para el xerogel, es posible observar cuatro de los 6 modos de vibración reportados para la anatasa a 637 (E•g), 523 (A1g), 390 (B1g) y 144 cm-1, indicando que se llevó a cabo el proceso de cristalización durante esta etapa. Además, el pico a 1,040 cm-1 se atribuyó a la presencia de NO3- del ácido nítrico, y desapareció a 400°C. Fig. 6. Análisis térmico (ATG/ATD) para la muestra de TiO2 sin dopar. Fig. 5. Espectros de Raman de TiO 2 libres de indio calentados a: (a) 70°C; (b) 400°C y (c) 600°C. El material tratado a 400°C presenta señales de mayor intensidad correspondientes a la fase anatasa. Además se puede distinguir una banda a 197 cm-1 asociada a otro modo de vibración de la anatasa (E•g). La fase bruquita fue apenas detectada y solamente un espectro amplificado muestra pequeños picos a 320-280 cm-1. Por último, en el material tratado a 600ºC se presentaron los modos de vibración a 610 (A1g), 445 (Eg) y 145 cm-1 (B1g) asignados a la estructura del rutilo. Dichos modos fueron más intensos que los correspondientes a la anatasa. Estos resultados indican que la transición de anatasa a una gran cantidad de rutilo ocurrió entre 400 y 600°C, al igual que lo observado en los resultados de DRX. Análisis Térmico (ATG/ATD) y análisis de infrarrojo (IR) del TiO2 En la figura 6 se presentan los resultados del ATG/ ATD de las muestras de titania sin dopar. En dicha Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 figura se puede observar un pico exotérmico a 540°C sin pérdida de peso, asociado con la transformación de la fase anatasa a rutilo para una gran cantidad de cristales. Además, en todos los materiales se observó una pérdida en peso ~20% en el intervalo de temperatura de 30 a 400ºC, la cual está relacionada con la evaporación de solventes y combustión de materia orgánica. Por otro lado, mediante el análisis de IR se corroboró los resultados del análisis térmico, ya que las bandas asociadas con los grupos orgánicos presentes en los xerogeles desaparecieron cuando se efectuó tratamiento térmico a 400ºC, observándose solamente la presencia de la banda correspondiente al enlace metal-oxígeno. ANÁLISIS TEXTURAL Materiales de TiO2 dopado con indio Los resultados de este análisis indicaron que el dopaje con indio influyó significativamente en las propiedades texturales de la titania. En específico, cuando los materiales fueron tratados a 600ºC, se observó que la isoterma de la titania sin dopar presentó características asociadas con un sólido no poroso. Mientras que, para la titania dopada con 1 y 5% de indio, las isotermas revelan una característica mesoporosa de los materiales. Estas diferencias también fueron observadas en los valores de área superficial presentados en la tabla IV. Respecto al análisis de distribución de tamaño de poro obtenido por el método BJH, se encontró que el radio de poro de los xerogeles fue menor a 15 Å. Mientras que para los materiales tratados a 400°C, el radio de poro fue de 20 a 30 Å aproximadamente. 29 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. Tabla IV. Área superficial (BET) obtenida de los diferentes materiales de titania. Muestras Área Superficial (BET) (m2/g) TiO2-xerogel 186 TiO2- 400° C 110 TiO2- 600° C 1.0 In(1%)/TiO2- xerogel 215 In(1%)/TiO2- 400 °C 140 In(1%)/TiO2- 600 °C 38 In(5%)/TiO2- xerogel 200 In(5%)/TiO2- 400 °C 197 In(5%)/TiO2- 600 °C 85 DETERMINACIÓN DE LA ENERGÍA DE BANDA PROHIBIDA, EG Materiales de TiO2 dopado con níquel En la tabla VI se presentan los valores de Eg para diferentes materiales. Como puede apreciarse, conforme la cantidad de níquel aumenta el valor de Eg disminuye, independientemente de la temperatura de tratamiento. La influencia directa de la presencia de níquel en la disminución del Eg del TiO2 es debido a la sustitución de átomos de Ti4+ por átomos de Ni2+ lo cual favorece la formación de vacancias de oxígeno.39,43 Tabla VI. Energía de banda prohibida (Eg) de los diferentes materiales de TiO2. Material El tratamiento a 600°C produjo materiales con radio de poro de 30 a 50 Å para la titania con indio, sin embargo los sólidos sin indio mostraron el menor tamaño de poro, característica de una estructura no porosa. Materiales de TiO2 dopado con níquel A diferencia de lo observado anteriormente para los materiales con indio, en el caso del dopaje con níquel no se encontró un efecto importante sobre las propiedades texturales, ver tabla V. Los materiales tratados a 400ºC, presentaron una estructura mesoporosa con valores de área superficial entre 86 y 95 m2/g. Además, se observó que en los materiales tratados a 600ºC su área disminuyó considerablemente, entre 15 y 24 m2/g, lo cual fue atribuido a la formación de aglomerados por efecto de la temperatura. Tabla V. Área superficial y tamaño de poro de los materiales de TiO2 con níquel tratados a 400ºC. Material ÁreaBET (m2/g) Tamaño de poro (nm) TiO2-sin dopar 86 8 TiO2-Ni(0.5) 93 8 TiO2-Ni(1.5) 87 12 TiO2-Ni(3) 95 12 TiO2-Ni(6) 89 7 30 400ºC 600ºC Eg (eV) TiO2 – sin dopar TiO2-Ni 0.5% 3.43 3.35 3.31 3.29 TiO2-Ni 1.5% 3.32 3.29 TiO2-Ni 3% TiO2-Ni 6% 3.31 3.13 3.26 3.09 PRUEBAS CATALÍTICAS Adsorción de óxido nítrico en TiO2 dopado con indio En la figura 7 se muestran los espectros DRIFTS de los materiales de TiO2. Dicha figura revela claramente que los compuestos de óxido de nitrógeno no interactúan con el material de titania sin dopar, mientras que para la titania con 5% de indio se observó una interacción muy fuerte. En los espectros del material In(5%)-TiO2-600°C (figura 7b), se encontraron cuatro señales localizadas a 1,615, 1,586, 1,288 y 1,251 cm-1. Los picos a 1,615 y 1,251 cm-1 correspondieron a la adsorción de nitrato en modo bidentado, mientras que las señales a 1,586 y 1,288 cm-1 se atribuyeron a la adsorción del óxido nítrico en modo de monodentado.44 Se observó que ambos modos de adsorción iniciaron a 50°C, pero su estabilidad disminuyó con el incremento de la temperatura. El compuesto bidentado fue más estable que el monodentado, cuyas señales no se observaron fácilmente a 200°C. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. Fig. 7. Espectro DRIFT durante la adsorción in situ de NO en materiales de TiO2, tratados a 600°C: (A) muestras sin contenido de indio; (B) muestras con contenido de indio (5%). (*) nitratos en forma de bidentato y (+) en forma de monodentato. Además se observaron otras señales atribuidas a diferentes modos de adsorción del óxido nítrico (NO). En particular, en el espectro registrado a 50°C, la banda ancha localizada alrededor de 1,480 cm-1 ha sido asociada al NO2 adsorbido en forma lineal. Estos picos fueron apenas detectados a altas temperaturas. En el caso de las muestras sin contenido de indio (figura 7a), los espectros no mostraron señales que indicaran la presencia de muestras adsorbidas de NO, concluyendo que la titania sin indio no tiene la capacidad de retener especies de NO. D E G R A D A C I Ó N F O TO C ATA L Í T I C A D E L COLORANTE ROJO ALIZARÍN S USANDO TIO2 DOPADO CON NÍQUEL Antes de realizar la evaluación fotocatalítica se efectuaron pruebas de adsorción variando la concentración del colorante y la cantidad de catalizador con el objetivo de determinar las condiciones óptimas para la reacción. Con esto se evaluó realmente la degradación del colorante y no solamente el fenómeno de adsorción. De acuerdo con los resultados, se observó que el fenómeno de adsorción fue menor empleando 50 mg del sólido catalizador y 60 ppm del colorante. Por lo cual se procedió a realizar las pruebas fotocatalíticas bajo dichas condiciones. En la figura 8 se presentan las curvas de degradación obtenidas para los materiales (a) TiO2-Ni(1.5), (b) TiO2-Ni(6) y (c) TiO2-sin dopar, calcinados a 400ºC. Los resultados indican un efecto Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Fig. 8. Curvas de degradación del RAS empleando los materiales: (a) TiO2-Ni(1.5), (b) TiO2-Ni(6) y (c) TiO2-sin dopar. positivo del níquel en la actividad fotocatalítica del TiO2 ya que el material sin dopar (c) presentó la más baja degradación. Cabe mencionar que el material comercial Degussa P-25 mostró una actividad menor que estos materiales. En la tabla VII se presentan los porcentajes de degradación usando los materiales tratados a 400ºC y 600ºC. En estos resultados se observó claramente una disminución considerable conforme el tratamiento térmico es mayor, lo cual está asociado directamente con el área superficial de dichos materiales. Analizando solamente los materiales tratados a 400ºC se puede notar un claro efecto debido al dopaje con níquel, lo cual indica que la sustitución de átomos de Ti4+ por átomos de Ni2+ permitió la formación de vacancias de oxígeno y, aunado a que el níquel actúa como aceptor de electrones, favoreció una mejor separación de las cargas hueco-electrón logrando mejorar la eficiencia fotocatalítica. Tabla VII. Degradación del rojo alizarín S, empleando materiales de TiO2 bajo diferentes temperaturas de tratamiento. Muestra TiO2-sin dopar TiO2-Ni(0.5) TiO2-Ni(1.5) TiO2-Ni(3) TiO2-Ni(6) % Degradación 400ºC 600ºC 59 15 70 20 82 32 74 22 78 26 31 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. Se observó que el contenido óptimo de níquel es 1.5%, y que al dopar con un contenido mayor, la actividad disminuye debido a que el exceso del metal actúa como un centro de recombinación de cargas evitando que participen en la reacción de degradación. 21,29,30 Sin embargo, no se observó una tendencia clara para todas las concentraciones usadas, ya que la titania con 6% de níquel presentó menor actividad que el TiO2 con 1.5% de níquel, pero mayor a la del TiO2 con 3%. Por lo tanto, existe otro factor importante que influye directamente en la actividad fotocatalítica. De acuerdo con los resultados del tamaño de cristal, para la titania con 6 y 3% níquel los valores son 7.8 y 10.8 nm respectivamente, lo cual indica que un tamaño de cristal menor favorece la eficiencia para la degradación. Esto se debe a que en los materiales con menor tamaño de cristal, las cargas hueco-electrón migran más rápidamente hacia la superficie, evitando su pronta recombinación y por lo tanto participan de manera más eficiente en las reacciones de óxidoreducción. De acuerdo con lo discutido, el dopaje de TiO2 con níquel permitió aumentar considerablemente la actividad fotocatalítica debido principalmente al efecto de retardar el crecimiento de los cristales de la fase anatasa y a que el dopaje con el contenido óptimo de níquel minimiza la recombinación de las cargas hueco-electrón. CONCLUSIONES El dopaje de TiO2 con indio y níquel influyó directamente en la disminución del tamaño de cristal de la fase anatasa. Además, el dopaje con el contenido óptimo de indio (5%) y níquel (0.5 a 3%) provocó que la transición de la fase anatasa a rutilo se retarde. La presencia de indio en la estructura de la titania provocó un efecto importante para mejorar las propiedades texturales de los materiales, aumentando el área superficial y manteniendo la mesoporosidad. En los materiales de titania dopada con níquel se observó que la energía de banda prohibida disminuyó conforme el contenido de níquel fue mayor. El material de TiO2 con 5% de indio mostró mayor capacidad para adsorber óxido nítrico comparado con la titania sin indio. 32 La estabilización de la fase anatasa y la estructura mesoporosa del material conteniendo indio fueron los factores más importantes para adsorber las diferentes especies de óxido nítrico. En el caso del material de TiO2 con 1.5% de níquel éste presentó la mayor actividad fotocatalítica para la degradación del colorante rojo alizarín S. El contenido óptimo de níquel y el menor tamaño de cristal de la fase anatasa fueron los factores más importantes para mejorar significativamente la eficiencia de dicho material. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo económico brindado por la UANL, a través del proyecto PAICYT Clave IT176-09 y al CONACYT mediante el proyecto de Ciencia Básica CB-98740. REFERENCIAS 1. Akira Fujishima, Xintong Zhang, Donald A. Tryk. TiO2 photocatalysis and related surface phenomena. Surf. Sci. Rep., 2008, 63, 515-582. 2. Fang Han, Venkata Subba Rao Kambala, Madapusi Srinivasan, Dharmarajan Rajarathnam, Ravi Naidu. Tailored titanium dioxide photocatalysts for the degradation of organic dyes in wastewater treatment: A review. Appl. Catal., A, 2009, 359, 25-40. 3. Jacinto Sa, Cristina Alcaraz Aguera, Silvia Gross, James A. Anderson. Photocatalytic nitrate reduction over metal modified TiO2. Appl. Catal., B, 2009, 85, 192-200. 4. Yiseul Park, Wooyul Kim, Hyunwoong Park, Takashi Tachikawa, Tetsuro Majima, Wonyong Choi. Carbon-doped TiO 2 photocatalyst synthesized without using an external carbon precursor and the visible light activity. Appl. Catal., B, 2009, 91, 355-361. 5. 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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos Beatriz López-Walle, Edgar Reyes-Melo, Enrique López-Cuéllar Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL CIIDIT-UANL RESUMEN Un sistema mecatrónico se compone, entre otros elementos, de sensores y actuadores. Los sensores permiten detectar variables físicas del medio circundante, convirtiéndolas en señales eléctricas; en tanto, los actuadores generan movimientos o acciones específicas de acuerdo a la señal eléctrica aplicada. La creciente complejidad de los sistemas mecatrónicos demanda el desarrollo de sensores y actuadores cuyos materiales de fabricación sean capaces de realizar más de una función. Para el desarrollo o síntesis de materiales bifuncionales se suele combinar dos materiales con propiedades diferentes. El producto resultante se conoce como material compuesto o “compósito”. Cuando uno de estos materiales es orgánico, y el otro inorgánico, el sistema resultante se conoce como material híbrido. En este artículo se describen las principales características morfológicas y estructurales de estos últimos materiales, con el fin de diferenciarlos, particularizarlos y, principalmente, mostrar su aportación y aplicación en sistemas mecatrónicos. PALABRAS CLAVE Material híbrido, orgánico/inorgánico, sensores/actuadores, materiales multifuncionales. ABSTRACT A mechatronic system is composed, among different elements, by sensors and actuators. Sensors detect physical variables of the surroundings and transform them into electrical signals; actuators generate movements or specific actions according to the applied electrical signal. The increasing complexity of the mechatronic systems requires the development of sensors and actuators whose manufacturing materials should be able to perform more than only one function (multifunctional). For the development or synthesis of bifunctional materials (two functions), two materials with different properties are usually combined. The resulting product is known as composed material or “composite”. When one of these materials is organic and the other is inorganic, the resulting system is known as hybrid material. This article describes the main morphological and structural characteristics of hybrid materials, in order to differentiate, particularize and, principally, show their contribution and applications in mechatronic systems. KEYWORDS Hybrid material, organic/inorganic, sensors/actuators, multifunctional materials. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 35 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. INTRODUCCIÓN Los sistemas mecatrónicos se caracterizan por registrar señales con ayuda de sensores, procesar dichas señales, y emitir respuestas acordes a las mismas por medio de actuadores, ya sea generando movimientos u otras acciones muy específicas. Hoy en día, dichos sistemas son muy importantes para la mayoría de las actividades científicas y para una gran diversidad de procesos industriales.1-4 Los robots, las máquinas controladas digitalmente y los vehículos guiados automáticamente, entre otros, son sólo algunos ejemplos de sistemas mecatrónicos. La figura 1 muestra un brazo robótico (sistema mecatrónico) cuyos elementos constituyentes, mecanismos, sensores y actuadores, pueden emular los movimientos de un brazo humano cerca de la perfección.4 Fig. 1. Ejemplo de un sistema mecatrónico (brazo robótico).4 Las funciones de cada uno de los elementos en los sistemas mecatrónicos se coordinan de manera sinérgica mediante un sistema de control o software, el cual también forma parte del sistema mecatrónico. Los mecanismos son un conjunto de elementos rígidos o móviles unos respecto de otros, unidos entre sí mediante diferentes tipos de uniones llamados pares cinemáticos: pernos, uniones de contacto, pasadores, etc.. Su principal función es la transmisión 36 de movimientos y fuerzas, razón por la cual para su diseño suelen utilizarse materiales convencionales de tipo metálico, cerámico y/o polimérico. Por otra parte, los sensores son elementos con capacidad para detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación: temperatura, intensidad luminosa, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc., y transformarlas en variables eléctricas. Muy comúnmente, los sensores se conectan al sistema de control, aunque también suelen conectarse directamente a un elemento actuador. Finalmente, los actuadores: cilindros neumáticos e hidráulicos, motores eléctricos, electroválvulas, etc., transforman las señales o variables eléctricas provenientes de los sensores, dando inicio a un determinado tipo de movimiento o acción específica. Una característica muy importante en sensores y actuadores es su tiempo de respuesta, el cual se busca sea el menor posible, en el orden de fracciones de segundo. De lo anterior, podemos deducir que las funciones que llevan a cabo tanto los actuadores, como los sensores, son las más complejas y delicadas de todo el sistema mecatrónico. Dichas funciones deben ser exactas y precisas, razón por la cual los materiales de base para su construcción demandan ser bifuncionales o polifuncionales (materiales que pueden desarrollar más de una función), característica que a los materiales convencionales les es difícil ofrecer. Esto se refleja en el elevado costo que puede alcanzar un sistema mecatrónico como el mostrado en la figura 1. Sin embargo, se espera que con el acelerado avance que hoy en día tiene la ciencia e ingeniería de materiales, el desarrollo de dichos sistemas mecatrónicos, en un futuro no muy lejano, sea más rentable y realista. Ante este reto, se tiene la alternativa de combinar materiales con propiedades diferentes con el fin de obtener “materiales bi o polifuncionales”:5-10 por ejemplo, un material bifuncional que presente la elasticidad típica del caucho (material polimérico), pero con una conductividad eléctrica similar a la de los materiales metálicos. El producto que resulta de la combinación de dos o más materiales es una gama muy amplia de “novedosos materiales” que comúnmente se les conoce como materiales compuestos o “compósitos”. Cuando en los materiales a combinar al menos uno es de tipo orgánico, y Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. otro de tipo inorgánico, al sistema resultante se le conoce como material híbrido. Bajo esta óptica, un material híbrido deberá considerarse como un tipo de material compuesto. Sin embargo, como se verá más adelante, los materiales híbridos resultan ser mucho más que un material compuesto, ya que en la mayoría de los casos son polifuncionales, razón por la cual satisfacen mayormente los requerimientos para su aplicación en sistemas mecatrónicos. Por otra parte, es importante mencionar que los sistemas biológicos están constituidos de materiales híbridos, los cuales han sido sintetizados a través de sus rutas metabólicas, llegando a obtener materiales con propiedades que hasta hoy no es posible reproducir de manera precisa a nivel laboratorio. Este proceso de emular la estructura de los materiales biológicos se conoce como mimetización de materiales.11-13 Este artículo se enfoca en los materiales híbridos debido a su interés y utilidad en el desarrollo de sistemas mecatrónicos. El objetivo principal reside en describir de una manera clara y sencilla, cuáles son los aspectos estructurales y morfológicos que caracterizan a estos materiales. Lo anterior se considera fundamental para comprender la importante contribución de los materiales híbridos en el funcionamiento, y consecuente optimización, de un determinado sistema mecatrónico. ESTRUCTURA Y MORFOLOGÍA DE MATERIALES COMPUESTOS Y MATERIALES HÍBRIDOS Los materiales compuestos y materiales híbridos se caracterizan por tener una fase dispersa en una matriz o fase dispersante. La naturaleza de ambas fases, así como el tipo de interacción entre ellas, definen tanto a la estructura, como a la morfología de estos materiales, definiendo al mismo tiempo sus propiedades. Estructura y morfología pueden diferenciarse si se considera que cada una corresponde a una escala diferente de la distribución espacial de la fase dispersa en la matriz. Bajo este contexto, la estructura corresponde a una escala del tamaño de las interfaces entre fase dispersa y matriz, y está definida por las interacciones físicas y químicas que la conforman. En tanto, la morfología corresponde a una escala tal que permite identificar la manera en cómo se encuentran distribuidas las entidades de la fase dispersa (partículas, fibras, etc.) en la matriz. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Aunque muy comúnmente en la literatura se maneja de manera indistinta el término “material compuesto” y “material híbrido”, en opinión de los autores de este artículo existen diferencias importantes entre ambos, las cuales son función de su estructura y su morfología. En los materiales compuestos, por lo general, la morfología es tal que la fase dispersa es de un tamaño promedio mayor o igual al orden de algunas decenas de micrómetros. Además, su distribución espacial en la matriz no presenta un ordenamiento de largo alcance, considerándose en este caso como de largo alcance una distancia mayor al tamaño promedio de la fase dispersa. Un ejemplo típico de material compuesto, lo constituye una matriz polimérica que refuerza sus propiedades mecánicas con algún tipo de fibra o partícula que puede ser de tipo orgánico o inorgánico. En lo referente a la estructura de los materiales compuestos, ésta la constituyen fuerzas de Van der Waals y/o puentes de hidrógeno, cuyos valores energéticos de enlace son del orden de 15 kJ/mol o menos, y su radio de acción es menor o igual a 0.5 nm, por lo que las fases son separables mediante algún proceso físico (fusión por zonas, filtrado, centrifugación, etc.). A manera de ejemplo, la figura 2 muestra una imagen obtenida mediante microscopía electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) de la superficie de fractura de un material polimérico (nylon) reforzado con fibras de vidrio. En ella se distingue de manera clara la morfología de este material compuesto, la cual está constituida de una distribución aleatoria de las fibras de vidrio en la matriz polimérica de nylon. Fig. 2. Imagen obtenida mediante SEM de la superficie de fractura de un material compuesto (nylon reforzado con fibras de vidrio).14 37 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. En lo que respecta a los materiales híbridos, muy comúnmente la morfología es tal que la fase dispersa tiene tamaños inferiores al micrómetro, y la distribución de ésta puede ser carente de ordenamientos a gran distancia, o bien puede llegar a organizarse en niveles discretos en la matriz, dando lugar a materiales con una estructura jerárquica a escala molecular, nanoscópica, microscópica y macroscópica.6,14 En lo referente a la estructura de los materiales híbridos, las interacciones que constituyen sus interfaces no solamente son del tipo de Van der Waals o puentes de hidrógeno, también pueden presentarse enlaces covalentes, de coordinación o iónicos, los cuales cuentan con mayor energía (del orden de 400 kJ/mol). En la figura 3 se presenta un esquema de estas interacciones.6 A manera de ejemplo, la figura 4 muestra imágenes obtenidas mediante SEM a diferentes escalas de la morfología que puede llegar a tener un material híbrido de tipo biológico como la concha de nácar, también conocida como “madreperla”. Se trata de un material poroso pero resistente, que se encuentra en la concha de ciertos crustáceos. La estructura y morfología del nácar se caracterizan por combinar láminas de carbonato de calcio con una proteína Fig. 3. Diferentes tipos de interacciones que definen la estructura de los materiales híbridos. (matriz polimérica) que funciona como pegamento para la obtención de una estructura y morfología 3000 veces más resistente que el carbonato de calcio y la proteína por separado.15 En general, la polifuncionalidad y la eficiencia de los materiales híbridos se definen en gran parte por la naturaleza de sus interfaces y de la morfología que de ella se genera, por lo que resulta fundamental determinar el tipo de estructura y morfología de estos materiales. Esto a su vez permite clasificar a los materiales híbridos en dos clases importantes, las cuales se describen en la siguiente sección. C L A S I F I C A C I Ó N D E L O S M AT E R I A L E S HÍBRIDOS Tomando como criterio de base a los tipos de interacciones físicas y/o químicas que definen las interfaces en los materiales híbridos, éstos se clasifican en dos grandes grupos: materiales híbridos de clase I y materiales híbridos de clase II.6,16 En los de clase I, las interacciones en las interfaces son exclusivamente del tipo de puentes de hidrógeno o de Van der Waals, mientras que en los de clase II, las interacciones son de más alta energía, pudiendo presentarse también enlaces débiles. Tal como se puede observar en los esquemas de la figura 5, dependiendo de la naturaleza o del tamaño molecular de la fase dispersa, podemos tener dos casos para los materiales híbridos de clase I: i) Cuando la fase dispersa es de bajo peso molecular, ésta puede llegar a dispersarse en la matriz en forma de aglomerados de tamaño inferior a los micrómetros (mezcla íntima de dos materiales, figura 5(a)); ii) Cuando la fase dispersa es de tipo macromolecular, ésta se dispersa de una manera tal que se obtiene una morfología de redes interpenetradas (figura 5(b)). Fig. 4. Material híbrido concha de nácar (madreperla), imagen de SEM. 38 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. Materiales híbridos clase I (b) Redes interpenetradas. (a) Aglomerados. Materiales híbridos clase II (d) Redes poliméricas unidas mediante enlaces covalentes. Fig. 5. Esquemas de los materiales híbridos de clase I -(a) y (b)- y clase II -(c) y (d)-. (c) Bloques unidos mediante enlaces covalentes. Tabla I. Comparación de las propiedades generales o típicas de materiales orgánicos y materiales inorgánicos que comúnmente se utilizan como materia prima en la síntesis de materiales híbridos. Propiedades Naturaleza de los enlaces Temperatura de transición vítrea (Tg) Estabilidad térmica Densidad relativa Índice de refracción Propiedades mecánicas Hidrofobicidad Permeabilidad Propiedades electrónicas Procesabilidad Materiales orgánicos (Polímeros) • Covalente • Van der Waals • Puente de hidrógeno Baja (-120 a 200°C) Baja (<350-450°C) 0.9-1.2 1.2-1.6 • Elasticidad • Plasticidad • Dependiendo de la Tg, pueden presentar comportamiento cauchótico • Hidrofóbico • Permeabilidad a los gases Materiales inorgánicos (SiO2, óxidos metálicos de transición) • Iónico • Covalente-iónico Alta (>>200°C) Alta (>>100°C) 2.0-4.0 1.15-2.7 • Dureza • Tenacidad • Fragilidad • Hidrofílico • Baja permeabilidad a los gases • Entre aislante eléctrico y • Aislante eléctrico semiconductor • Propiedades redox • Propiedades redox • Propiedades magnéticas • Baja para polvos • Alta (moldeo, fundido, formación de • Alta para recubrimientos de película, control de viscosidad) tipo sol-gel Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 39 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. Para los materiales de clase II también es posible diferenciar dos casos similares a los de clase I, con la diferencia de que las interfaces están definidas también por enlaces de alta energía (ver figuras 5(c) y 5(d)). La naturaleza tanto de la fase dispersa, como la de la matriz, además del proceso de síntesis utilizado para la obtención del material híbrido define si un material híbrido es de clase I o de clase II. Es de suma importancia para el diseño de sistemas mecatrónicos, tomar en cuenta que los materiales híbridos más estables son los de clase II, por lo que bajo este contexto la utilización de los de clase I será muy limitada. Entre los procesos de síntesis más utilizados para la obtención de materiales híbridos se tienen los siguientes: sol-gel, coprecipitación, erosión iónica, etc.6,16 No es el objetivo de este trabajo describir a detalle cada uno de estos procesos de síntesis; sin embargo, es importante mencionar que una tendencia actual es la mimetización de materiales. En este sentido, la comunidad científica ha estado intentando mimetizar materiales biológicos que combinen fuerza y resistencia, como el nácar, o madreperla. Para mimetizar “la concha de nácar”, primero se construye una suspensión acuosa de óxido de aluminio,15 la cual se enfría de manera muy controlada permitiendo obtener micro-estructuras largas y delgadas, parecidas a ladrillos, tras la evaporación del agua mediante calor. Al repetir este proceso, se crea una estructura porosa de capas de óxido de aluminio que se conectan entre sí, semejante a la encontrada en el nácar natural. Después, para imitar la proteína que funciona como pegamento, se propone utilizar un polímero que rellene los huecos entre las distintas capas. Aunque los resultados obtenidos son muy alentadores, aún quedan muchas interrogantes por resolver, por lo que el proceso de mimetización de materiales se considera fundamental para el desarrollo de nuevos materiales híbridos. Por otra parte, el gran avance que se tiene hoy en día en lo referente a la síntesis de novedosos materiales con propiedades especiales como fotoluminiscencia,6,8 electroluminiscencia, 6,9,10 memoria de forma, 17 magneto-orgánicos,10 semiconducción,9 etc., abre aun más la posibilidad de síntesis de nuevos materiales híbridos polifuncionales.18 LA POLIFUNCIONALIDAD DE LOS MATERIALES HÍBRIDOS Las propiedades individuales que presentan por separado tanto la fase dispersa (inorgánica), como la matriz (orgánica), nos dan una idea de las propiedades o funciones que podría llegar a ofrecer un material híbrido, considerando que éste debe ser bi o polifuncional. Kickelbic G. resume de una manera muy clara (ver tabla I) las propiedades típicas de materiales orgánicos y materiales inorgánicos,6 las cuales deben ser tomadas en cuenta en el momento de llevar a cabo el proceso de síntesis de los materiales híbridos. Aunado a lo anterior, debemos considerar los avances que se tienen hoy en día en lo referente al desarrollo de los denominados materiales avanzados, los cuales pudiesen utilizarse como fase dispersa en el desarrollo de nuevos materiales híbridos, y que tendrían aplicaciones importantes en el desarrollo de nuevos sistemas mecatrónicos. La tabla II muestra diferentes posibles aplicaciones de algunos materiales Tabla II. Ejemplos de aplicaciones para diferentes alternativas de fase dispersa en los materiales híbridos. Matriz Fase dispersa Aleaciones metálicas con memoria de forma Aplicación del material híbrido obtenido Micropinzas, sensores de fuerza, motores DC.19,20,21 Micro-relevadores, microválvulas, motores AC-DC, microbombas.19,20,22 Diodos emisores de luz, transistores a efecto de campo, Materiales conductores de la electricidad fotodiodos, celdas solares, sensores de gas.6,23,24 Micro-espejos con reflejo variable y controlable, Materiales cerámicos bioreactores, liberadores de medicamento, microdiscos láser.6,18,25,26 Aparatos de ultrasonido intravascular (IVUS), monitoreo Materiales piezoeléctricos cardiaco, sensores táctiles.27,28,29,30 Materiales con propiedades magnéticas Polimérica 40 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. que se obtendrían combinando una matriz polimérica con diferentes alternativas de materiales avanzados que podemos encontrar en el mercado hoy en día. Diversas aplicaciones enunciadas en dicha tabla pueden ser elementos constitutivos de un sistema mecatrónico, tales como los motores, los fotodiodos, las microbombas, los diodos emisores de luz, los microrelevadores o las microválvulas, entre otros. Algunos otros casos, la aplicación ya constituye, por sí misma, un sistema mecatrónico; por ejemplo, los micro-espejos con reflejo variable y controlable o los aparatos de ultrasonido intravascular (IVUS). La información presentada en las tablas I y II muestra el enorme potencial que tiene el desarrollo de nuevos materiales híbridos. Sin embargo, el reto a vencer para la obtención de estos nuevos materiales se centra en el proceso de síntesis, ya que en la mayoría de los casos se requiere combinar materiales que no son compatibles mediante procesos de mezcla tradicionales. En este sentido, los avances científicos en la ingeniería de materiales permiten la disponibilidad de técnicas experimentales que permiten que dos componentes inherentemente incompatibles (por ejemplo, polímeros orgánicos y óxidos inorgánicos), se hagan compatibles por pre-mezcla de ambos a escala molecular antes de su conversión en un nuevo material. En la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), como parte de las actividades de investigación desarrolladas por el cuerpo académico consolidado de Síntesis y Caracterización de Materiales, se han sintetizado materiales híbridos magnéticos utilizando como matriz polímeros biocompatibles como la carboximetilcelulosa (CMC) o el quitosán, y como fase dispersa se han utilizado nanopartículas de óxido de hierro10 y nanopartículas de cobalto elemental (Co).31 La figura 6 muestra imágenes obtenidas mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés) del material híbrido constituido de nanopartículas cuasiesféricas de cobalto elemental en CMC. Los dos tipos de material híbrido desarrollados presentan propiedades de superparamagnetismo, por lo que las películas delgadas de estos materiales sin duda tendrán aplicaciones muy interesantes en el futuro desarrollo de sistemas mecatrónicos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Fig. 6. Nanopartículas de Co dispersas en CMC (imagen obtenida mediante TEM). CONCLUSIONES Los materiales híbridos son considerados como un tipo de material compuesto, sin embargo presentan diferencias fundamentales en su estructura y morfología. La fase dispersa de los materiales híbridos tiene un tamaño promedio inferior a algunas decenas de micrómetros; además, la distribución espacial de dicha fase dispersa en la matriz polimérica puede tener un ordenamiento jerarquizado o bien mostrar una morfología amorfa. La posible polifuncionalidad de un material híbrido es función de la naturaleza de su fase dispersa y de su matriz, así como del proceso de síntesis utilizado para su obtención. La polifuncionalidad en un material híbrido es un requisito indispensable para su utilización en el desarrollo de sistemas mecatrónicos y la consecuente optimización de estos últimos. 41 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. AGRADECIMIENTOS Se agradece la participación del M.C. Juan Francisco Luna Martínez por su contribución al desarrollo del material híbrido de nanopartículas de óxido de hierro dispersas en una matriz polimérica de carboximetilcelulosa. Igualmente, se agradece al Dr. Alejandro Torres Castro por su amable colaboración para la obtención de las imágenes con el microscopio electrónico de barrido. BIBLIOGRAFÍA 1. Ulbrich H., Villgrattner T.; “Dynamics, control and optimization of mechatronic systems in theory and experiment”, Proceedings of International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics, 2010, vol. 1281, no. 1, pp. 372-373. 2. 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Con este modelo se comparan secuencias de operación de las cédulas de laminación y se determinaron cédulas de secuencia progresiva y de campana para el molino, manteniendo dentro de tolerancia el perfil de espesor y de la forma de la cinta de acero de tolerancia estricta. No sólo el reducir el número de pases de laminación permite optimizar, sino también el mantener una secuencia de operación progresiva y descendente optimiza la cédula de laminación conservando calidad y controlando el consumo de energía. PALABRAS CLAVE Cédulas de laminación en frío, perfil de cinta asimétrico, modelo matemático de laminación. ABSTRACT The aim of this research is the optimization and innovation of cold rolling reduction schedules for a Four-High Single-Stand reversing cold rolling mill through SAE 1006 asymmetric steel strips. First of all, it was developed a cold rolling model to obtain the roll force, bite angle, power, torque and other parameters. Working with the cold rolling model is possible to compare the sequence of the operation of the cold rolling reduction schedule (number and main features of passes) and describe the type of schedule, cold rolling progressive schedule and cold rolling bell-shaped schedule for the 4-Hi reversing mill with pay-off. The change of the speed and reduction percentage over the pass schedule affects the thickness and flatness profile but not only the number of passes of the schedule give the optimization, also a progressive sequence in the cold rolling reduction schedule gives the optimization and keep up a good flatness profile with an efficient energy control. KEYWORDS Cold rolling reduction schedules, asymmetric steel strips profile, rolling mathematic model. 44 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. INTRODUCCIÓN El proceso de transformado está compuesto por cinco etapas que dan forma a la cinta de acero, estos procesos son: 1. Línea de corte longitudinal, 2. Laminación en frío, en donde se centra el estudio, 3. Recocido, 4. Temple mecánico 5. Corte final. El proceso inicia en la línea de corte longitudinal con la división de los rollos maestros de 914 y 1,219 mm, en múltiplos de dos o tres cintas de acero en un ancho no mayor a los 711 mm; divididos de una forma tal que se desperdicie lo menos posible el material, y así que al momento de pasar al proceso de laminación en frío, se procesen los múltiplos en el molino reversible del tipo cuarto. El proceso de división longitudinal genera múltiplos compuestos de cintas que presentan un perfil del tipo asimétrico conocido como cuña, en dónde se obtienen cintas con un espesor mayor en uno de sus extremos laterales o cantos. La cuña es caracterizada y cuantificada mediante el uso de técnicas especiales, cómo es explicado más adelante de este documento. Este perfil acuñado de la cinta le da la principal diferencia a este proceso de laminación con respecto al convencional, el cual opera con un perfil de cinta casi rectangular. Debido a la importancia de la fuerza de separación en el consumo de energía durante la reducción en los pases de laminación, se desarrollaron cédulas de secuencia progresiva soportándose en un conjunto de herramientas; como el uso del modelo de laminación que predice la fuerza de separación, así como también de herramientas estadísticas para la medición del perfil de espesor, siendo el objetivo, el optimizar e innovar cédulas de laminación en frío para un molino reversible del tipo cuarto para cintas de acero SAE 1006 de tolerancia estricta con perfiles de forma asimétricos. Modelo mecánico de laminación en frío El modelo se desarrolla sobre la base de los conceptos matemáticos de Bland y Ford2 soportándose bajo el principio de Orowan.3 Se aplican varios principios en especial el cálculo del rodillo deformado, el cual está basado de la ecuación de Hitchkock.4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 El modelo inicialmente calcula parámetros como el diámetro del rodillo deformado, ángulo de contacto, potencia o consumo de energía durante el pase, velocidad de deformación y el coeficiente de fricción, éste último se calcula en base a la velocidad del molino. En el desarrollo del modelo de laminación es importante predecir la fuerza de separación, para lo cual se siguen aplicando los conceptos básicos de las teorías de metalurgia mecánica, basados en los criterios que predicen la cedencia en materiales dúctiles.5 En donde se conservan las siguientes suposiciones de Bland & Ford: 1. El arco de contacto es circular – no presenta deformación elástica de los rodillos. 2. El coeficiente de fricción es constante en todos los puntos del arco de contacto. 3. No existe expansión lateral, así que el proceso de laminación se puede considerar como un problema de deformación plana. 4. Las secciones verticales permanecen planas, por lo que la deformación es homogénea. 5. La velocidad periférica de los rodillos es constante. 6. La deformación elástica de la lámina es despreciable en comparación con la deformación plástica. 7. Se mantiene el criterio de cedencia de energía de distorsión, para deformación plana dada por la siguiente ecuación: σ1 −σ3 = 2 σ0 =σ′0 (1) 3 45 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. CÁLCULO DE LA FUERZA DE SEPARACIÓN Y PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DE LA MORDIDA DE LAMINACIÓN EN FRÍO Basados también en los conceptos anteriores, para el cálculo de la fuerza de separación, el modelo se ajustó a resultados industriales, considerando la potencia del molino de laminación en frío, parámetros geométricos de la mordida de laminación, dimensiones transversales de cintas de acero, grados de acero y las correspondientes curvas constitutivas del acero. Uno de los métodos de cálculo de fuerzas de separación o cargas de laminación en frío usa ecuaciones derivadas de la consideración de fuerzas desarrolladas en el área de contacto o mordida, propuesta por Bland y Ford. En la figura 1 el ancho del material es tomado como unidad, es visto que la fuerza normal “L” en AB debido a la presión “s” es: L = s ⋅ (AB ), Fig. 1. Representación esquemática del arco de contacto o mordida de laminación. La investigación involucra la aplicación de las siguientes ecuaciones basadas en la solución propuesta por Bland y Ford, el análisis de fricción por simplificación se apoya bajo la ecuación de Mójica y Garza, Arimura y coautores.6 (h − h ) r= 1 2 (2) h1 e� = 0.0356 VR r Dh1 σ0 = cte + Ar + Br + Cr + Dr + Er + Fr R ' =1+ CP0 R b (h1 − h2 ) ⎛ ⎞ H = H1 = 2 R ⋅tan−1 ⎜ R ⋅ϕ ⎟ h2 ⎝ h2 ⎠ 2 46 3 4 5 6 σ q0 = ⎛⎜1− 2 ⎞⎟ k (h h2 )eμH d ϕ+ (1−σ1 k1 ) k2 ⎠ ⎝ μ H −H k (h h1 )e ( 1 )d ϕ ∫ ( ∫ ) φn ∫ θ ∫ P0 = bR Área ∴Área = q0 d ϕ+ q0 d ϕ θ μ≅ 0.11−1.9X10−3 VR VR (m seg ) (7) ϕn (8) (9) (10) Construcción del modelo de laminación en frío La construcción sería de la siguiente manera, la cual permite escalonarlo y desarrollarlo en simple hoja de cálculo de Excel, como se muestra en la tabla I. CURVAS CONSTITUTIVAS La figura 2 muestra la curva constitutiva obtenida para el modelo de laminación en frío. Las curvas constitutivas del acero a analizar se elaboraron para el acero 1006, el cual tiene un uso mayor en el proceso de transformación de la planta. La tabla II, presenta diferentes grados de acero con sus características obtenidas durante el desarrollo de la cédula de laminación, en donde se seleccionaron varios rollos y al final de cada pase se cortaba una muestra con el espesor final del pase para llevar a cabo ensayos de tensión basados en la norma ASTM A370-07b,7 determinando sus propiedades mecánicas como son resistencia máxima, resistencia de cedencia, elongación del material y dureza superficial además de sus características dimensionales. (3) (4) (5) (6) Fig. 2. Gráfica constitutiva del acero 1006, para la elaboración del modelo de laminación. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. Los parámetros utilizados para elaborar la curva constitutiva fueron la resistencia de cedencia y el porcentaje de reducción acumulado durante los pases. Se ajustó una línea de tendencia a estos puntos para obtener una ecuación polinomial que es utilizada en el modelo. La ecuación obtenida de la curva constitutiva del acero 1006 para reducciones intermedias a tensión alta, en donde “r” representa la reducción. σ=−0.0149r 4 + 2.5769r 3 − 153.07r 2 + 4018.9r + 26193 (13) La curva constitutiva, importante para la determinación de la resistencia de constricción, se desarrolló para dos tipos de reducciones, reducciones de bajo porcentaje y reducciones para alto porcentaje de laminación o reducción en frío. CÉDULAS DE LAMINACIÓN Se definen como una secuencia de operación que está conformada de diferentes parámetros del molino laminador, como son la velocidad durante el pase, porcentaje de reducción, espesor inicial y final, fuerza de separación, área de contacto, etc. La figura 3, representa la secuencia de operación durante la cédula relacionando el porcentaje de reducción por pase, en donde no se aplica un control Tabla I.a. Desarrollo del modelo de laminación por medio de un análisis matemático basado en la solución de Bland & Ford mediante una descripción descendente propuesta por Ekelund. 1er Análisis de laminación sin rodillo de trabajo deformado. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 47 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. Tabla I.b. Desarrollo del modelo de laminación por medio de un análisis matemático basado en la solución de Bland & Ford mediante una descripción descendente propuesta por Ekelund. 2do. Análisis de laminación con rodillo de trabajo deformado. adecuado de la cédula (porcentaje de reducción) y sus parámetros de laminación. De acuerdo a este gráfico las reducciones durante el pase con porcentajes altos reflejan un comportamiento inestable de carga, afectando el perfil del espesor y por consiguiente repercutiendo en el consumo de energía, este punto en especial es de suma importancia para el desarrollo y caracterización de las cédulas de laminación. PERFIL DEL TIPO ASIMÉTRICO O CUÑA Es el término utilizado para evaluar la asimetría del perfil de la cinta de acero laminada. El término perfil de cuña describe la asimetría de la cinta de acero en términos cualitativos. 48 Fig. 3. Representación gráfica de las cédulas de laminación. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. La tabla II. Resultados de los ensayos de tensión desarrollados para la construcción de las curvas constitutivas de la cinta de acero SAE 1006. La cuña es una característica típica de los procesos de cinta estrecha de bajo carbono de tolerancia estricta, esto es debido a la capacidad de los molinos laminadores de ancho angosto regidos bajo la norma ASTM A109.8 Una cinta de acero se define como una lámina de acero de un ancho menor a los 610 mm (24.00”) y en un espesor de 0.2032 - 4.75 mm (0.008”- 0.187”) de tolerancia estricta dimensionalmente y en propiedades mecánicas. El método utilizado para cuantificación permite medir el perfil de cuña por cinta de una manera práctica, en dónde es posible identificar 3 zonas de la cinta a lo ancho: zona del centro, zona de la orilla y zona de caída de orilla, la figura 4 representa de una manera gráfica las zonas descritas para el ancho de la cinta de acero. La característica principal del método es medir o cuantificar la cuña de la cinta de acero lo cual denota un perfil de espesor asimétrico a lo ancho de la cinta, la cuña es descrita como la diferencia existente entre el espesor que se encuentra a 25 mm de la orilla de la cinta, vista la cinta de una manera frontal y la diferencia existente entre un extremo y otro dará la cuña de la cinta de acero. Como se puede ver en la figura 4 el perfil de cuña del lado del motor es identificado como el perfil de cinta que abarca el calibre central hc, el cual es menor que el espesor del lado de caída de orilla hl’ y mayor que el del lado del operador hl’’. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Fig. 4. Parámetros de medición de cuña. El perfil de cuña del lado del operador se identifica como el perfil de la cinta que abarca el calibre central hc y que es menor que la del lado del operador del hl’’ y mayor que el del lado del motor principal hl’. Cuña, este término da una definición cuantitativa de la asimetría de la pieza trabajada y es definida como la diferencia entre la orilla del motor principal y la orilla del lado del operador hl’ y hl’’.9 DESARROLLO EXPERIMENTAL El desarrollo se dividió en diferentes etapas: La primera se basó en la recopilación de información del molino laminador en frío reversible, verificando sus registros, capacidad máxima de operación, incluyendo la del mandril del desenrrollador, mandril de salida y de entrada y así como del motor principal, 49 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. la figura 5 describe las partes principales del molino laminador en frío. De la información recopilada se realizaron las primeras preguntas para llevar a cabo el desarrollo del modelo, esto permitió generar una cédula de laminación óptima; manteniendo calibre, calidad de forma, minimizando el consumo de energía e incrementando la productividad del molino, además de evitar vicios de operación. Las primeras preguntas que se establecen al generar cédulas de laminación son: 1. ¿Cuál es el número correcto de pases?, 2. ¿Cuál es la reducción que debe de realizarse en cada pase?, 3. ¿Cuál es la velocidad ideal de operación para espesores delgados o gruesos que permita mantener una variabilidad de espesor controlada? Con respecto al consumo de energía y a la productividad: 1. ¿Cuál es el consumo óptimo de energía por pase y total? y 2. ¿Cuál es el tiempo óptimo de operación? EVALUACIÓN DEL PERFIL DE ESPESOR Durante las prácticas de laminación se evaluaron diferentes tipos de cédulas con diferentes velocidades durante el pase, con el fin de investigar la variabilidad del espesor y así establecer velocidades óptimas de operación para un buen control del perfil de espesor de la lámina. La figura 6 compara la variabilidad del espesor durante el pase de laminación para las dos primeras cédulas de laminación propuestas para el desarrollo de la investigación; a partir de aquí se establecerá un estudio estadístico medido por medio de los Cpk10 para el concepto de variabilidad de espesor. El Cpk define el índice de capacidad del proceso real bajo 6σ, estableciendo un Cpk mínimo de 1.33. El Fig. 5. Dibujo superior partes principales así como capacidad de operación del molino de laminación en frío de cuatro rodillos reversible. b). Secuencia de operación de una cédula de laminación de tres pases. 50 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. Fig. 6. Comparativo de la variabilidad del espesor durante el pase para la cédula No. 1 o del tipo campana, número de rollo 0801516 y cédula No. 2, tipo progresiva, número de rollo 0801519. estudio se enfocó en mantener una dispersión mínima en la variabilidad del espesor con un Cpk lo más cercano a 2.0, con el propósito de mantener controlado un peso por área (gr/m2) en el acero estándar. Bajo este concepto las cintas de acero pueden tener aplicaciones especiales sobre todo al sector automotriz. CALIDAD SUPERFICIAL Durante la generación de cédulas y puesta en práctica de las mismas se evaluó la forma del material, lo que es planicidad medido en unidades I (UI), así como el porcentaje de inclinación de la ondulación, porcentaje de elongación, porcentaje de planicidad, las prácticas se llevaron a cabo de acuerdo a las normas ASTM A1030/A1030M-05.11 El método estándar para la evaluación de planicidad está estandarizado bajo la norma ASTM antes mencionada. En ella se define las UI como una relación existente entre la longitud de onda y la altura de la onda en una sección estandarizada de la lámina. Cada término está descrito de una manera amplia en dicha norma. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La variable en especial que movía el modelo de laminación es el porcentaje de reducción en frío, el cual se fijó en base práctica asumiendo un porcentaje máximo para el primer pase de alrededor 30%, el cual está sujeto a la capacidad del motor de entrada y se ve reflejado en el modelo por la potencia utilizada. Posteriormente se realizan porcentajes menores al primero y así gradualmente, excluyendo a la cédula de tipo campana que presenta una reducción máxima Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 en el segundo pase pero la cual está sujeta a la capacidad de operación del motor principal. Se comparan los resultados de dos cédulas de laminación propuestas tomándolas como ejemplo. De estos resultados se define que la cédula de tipo progresiva experimenta un arco de contacto mayor con respecto a la cédula del tipo campana en el primer pase, debido a que la fuerza de separación, en conjunto con el porcentaje de reducción durante el pase será mayor afectando el área de contacto proporcionalmente. Se mantiene un coeficiente de fricción constante durante el pase manteniendo una longitud del arco de contacto mayor con respecto a la cédula de campana, para la cédula de tipo campana en el segundo pase el área de contacto es mayor debido al incremento del porcentaje de reducción en conjunto con la fuerza de separación; en este caso, siendo mayor la longitud del arco de contacto, debido a los incrementos de fuerza y reducción, ver figura 7. Fig. 7. Comparativo del análisis del diagrama de presión con respecto a la cédula del tipo 1 ó de campana y la cédula de tipo 2 denominada progresiva. a) Diagrama de presión, sobreponiendo la cédula del tipo campana (No.1) sobre la cédula progresiva (No.2), comparando el comportamiento del ángulo y longitud del arco de contacto. PERFIL DE ESPESOR Durante las diferentes etapas de la investigación se describieron cédulas mediante una representación gráfica, con el propósito de mantener una distribución de carga uniforme durante el pase, al apoyarse con los valores predichos por el modelo. El desarrollo de las cédulas permite trabajar con la mejor distribución de potencia utilizada para laminación, y la manera de lograr reducir el consumo de energía es distribuyendo los porcentajes de reducción durante la secuencia 51 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. de pases respetando límites de carga para cada reducción, en la práctica repercute sobre la operación de laminación al momento de que el operador describe el comportamiento del molino con un menor esfuerzo de laminación durante la reducción. En la figura 8a), se plasman las representaciones gráficas de dos cédulas de laminación en donde se pone en práctica la investigación, además una redistribución de la reducción empleada durante los pases y la carga de laminación empleada, se registran valores del modelo predicho en cuanto potencia utilizada de laminación. La reducción de potencia se obtuvo debido a la redistribución de los porcentajes de reducción durante el pase en conjunto con carga empleada. El perfil del espesor se mantiene satisfactoriamente y presenta una dispersión debajo de los límites de control, la figura 8b) y c), plasma estos resultados. COMPORTAMIENTO DE LA PLANICIDAD Los resultados que se obtuvieron en este estudio fueron satisfactorios, demuestran que las cédulas desarrolladas permiten mantener la forma y calidad del material. Una regla fundamental es mantener criterios de calidad desde el inicio, es decir la corona para los rodillos de trabajo, materia prima de buenas condiciones, geometría de laminación adecuada para el pase, la velocidad de operación estándar y estable, diámetro de rodillos de trabajo ideal para el espesor adecuado, lubricación del material constante y con su concentración dentro de tolerancia. Manteniendo todos estos parámetros dentro de las tolerancias permisibles es entonces posible obtener resultados satisfactorios de forma. Cuando se desarrollan cédulas de laminación con el fin de buscar forma y calidad superficial, lo que se busca es mantener una longitud de la ondulación de cresta a cresta lo más larga posible y, por consiguiente, manteniendo oscilaciones de baja altura. PERFILES ASIMÉTRICOS – CUÑA Se realizó primeramente la medición de este parámetro a diferentes números de cintas de acero, abarcando diferentes números de cédulas de laminación, y dando una aplicación especial a las dos últimas cédulas de laminación generadas (en especial a la cédula número 88), en las cuales se investiga el 52 Fig. 8. Cédulas de laminación en frío que experimentaron diferente pendiente de laminación durante la generación de la cédula de laminación. a). Comparativo de cédula número 87 con respecto a la cédula número 88, comparativo con respecto a eficiencia (J/tonm) y potencia (kJ/seg). comportamiento del espesor así como la relación de corona o el perfil del espesor a lo ancho de la cinta. De acuerdo a la figura 9 incisos a) y b) se puede ver que los perfiles de la cinta entran de forma asimétrica y con la aplicación de la cédula progresiva es posible recuperar el material, tanto en ambas cédulas aplicadas, se obtuvo un buen perfil del espesor de salida recuperando la simetría, pasando de una relación de corona de 1.5 a 0.71 completamente Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. El uso del modelo permite obtener un control estricto de calibre, al mismo tiempo optimiza las cédulas de laminación a partir de los porcentajes de reducción durante los pases de una manera progresiva. La optimización de la fuerza de separación y predicción de la misma permite reducir la potencia y con esto no sólo reduce el número de pases, sino que controla el consumo de energía durante la operación. La comprobación del modelo permitió generar 88 cédulas de laminación en frío, con las que se procesaron más de 1,500 toneladas de cinta de acero. El uso de estas cédulas resultó en la mejora de la tolerancia del espesor y forma, repercutiendo en las líneas de galvanizado y pintado al cumplir con las estrictas tolerancias, especificaciones de forma y calibre en estas líneas. Fig. 9. Representación gráfica del perfil de corona para cintas de acero 1006 de las cédulas de laminación número 88, a) Comportamiento de la acuña para los números de rollo 0807103 1P, 0807103 5P, b) Comportamiento de la cuña para los números de rollo 0806346 1P, 0806346 6P. recuperado y una cuña que pasó de 0.04 a 0.01 mm en esta cédula. Estas pruebas demuestran que es posible corregir o controlar la cuña que presentan las cintas de acero desde el inicio del proceso por medio de prácticas de laminación. La cédula progresiva es una de la más efectiva en este tipo de producción debido a que es posible recuperar después del primer pase la forma ideal de la cinta. CONCLUSIONES Aplicar un porcentaje alto desde el inicio permite recuperar adecuadamente las características de forma de la cinta de acero laminada en frío grado 1006 mediante el uso de un molino laminador en frío reversible de cuatro rodillos. Se establecieron cédulas de reducción progresivas que permiten obtener un perfil de espesor consistente con baja planicidad en cintas de acero de banda asimétrica. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 AGRADECIMIENTOS A la empresa Villacero por el tiempo, apoyo y a la UANL área de Posgrado de FIME. LISTADO DE SÍMBOLOS s Presión radial. N Fuerza friccional. Nh Componente horizontal de la fuerza friccional. L Fuerza normal. Lh Componente horizontal de la Fuerza normal. μ Coeficiente de fricción promedio. A,B y C Puntos de sección en el área de contacto. ø Ángulo que abarca del punto de salida al diferencial analizado. øn Ángulo en el punto neutro de la mordida de laminación. σ1 Esfuerzo axial de tensión del desenrrollador. σ2 Esfuerzo axial de tensión del enrollador. R Radio del rodillo de trabajo sin deformar. F Fuerza horizontal. f Esfuerzo principal a lo largo de la línea de laminación. w Esfuerzo principal en dirección transversal (no se muestra en figura 1). h1 Espesor de entrada del producto o de la cinta. 53 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. h2 Espesor de salida del producto o de la cinta. hn Espesor del producto o de la cinta en el plano neutro. θ Ángulo de contacto de la mordida de laminación. r Reducción del material. ė Velocidad de deformación en 1/s. D Diámetro del rodillo VR Velocidad de operación del molino de laminación. σyt Resistencia a la cedencia bajo carga de tensión. k=σc Resistencia de cedencia bajo compresión de constricción a deformación plana homogénea. σc Esfuerzo de constricción. R’ Radio del rodillo de trabajo deformado. C Constante basada en el módulo de elasticidad del material del rodillo. b Ancho del material o cinta de acero laminada en frío. Po Fuerza de separación (fuerza vertical). h Espesor del producto o de la cinta en cualquier punto del arco de contacto. H Expresión matemática en función del radio de rodillo y espesor del material reducido. H1 Expresión matemática en función del radio de rodillo y espesor del material reducido en el plano de entrada. H2 Expresión matemática en función del radio de rodillo y espesor del material reducido en el plano de salida. Hn Expresión matemática en función del radio de rodillo y espesor del material reducido en el plano neutro. q0 Presión vertical en el área de contacto. k1 Resistencia a la cedencia bajo compresión de constricción a deformación plana homogénea en el plano de entrada. k2 Resistencia a la cedencia bajo compresión de constricción a deformación plana homogénea en el plano de salida. k Resistencia de cedencia bajo compresión homogénea. qt Esfuerzo principal en dirección vertical. L Longitud arco de contacto. 54 %r Porcentaje de reducción en frío. hc Espesor central. hI’ Espesor del lado de caída de orilla. hI’’ Espesor del lado del operador. hI’ Espesor del lado del motor principal. UI Índice de planicidad (unidades de UI). Cpk Índice de capacidad del proceso real REFERENCIAS 1. SAE J403, Chemical Compositions of SAE Carbon Steels. The Engineering Society for Advancing Mobility Land Sea Air and Space. Rev. Nov. 2001. 2. Eustace C. Larke, AM.I. Mech. E., A, The Rolling of Strip, Sheet and Plate, 1956. 3. Orowan, E. The Calculation of Roll Pressure in Hot and Cold Flat Rolling. Proc. Inst. Mech. Eng., 1943, p.140. 4. Elastic deformation of Rolls during Cold Rolling. A.S.M.E. Research Publication, Roll Neck Bearing. Published by Amer. Soc. Mech. Eng. (New York), 1935. 5. George E. Dieter, Mechanical Metallurgy, Si Metric Edition, 1988. 6. Evaluation of the Frictional Characteristics of Rolling Emulsions, Ingeniería Mecánica Tecnología y Desarrollo, SOMIM, Vol.2, Número 6. Año 7, Marzo 2008. Vicente Espinosa Cantú, Martha P. Guerrero Mata, Tomás Lozano y Rafael Colas. 7. ASTM A370/A370M-07b, Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products. 8. A 109/A 109M – 08, Standard Specification for Steel, Strip, Carbon (0.25 Maximum Percent), Cold-Rolled. 9. Flat Rolling Fundamentals, 2000. Ginzburg, V.B., and Robert Ballas 10. SPC-3, Statistical Process Control (SPC), Automotive Industry Action Group (AIAG), Second Edition 2005. 11. ASTM A1030/A1030M-05, Measuring Flatness Characteristics of Steel Sheet Products. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar Gilberto Lorenzo Martínez Luna CIC-IPN lluna@cic.ipn.mx RESUMEN Recientemente gracias a la computación ha surgido la minería de datos, la cual consiste de algoritmos que extraen “conocimiento” de grandes bases de datos que acumulan la historia de las actividades de las organizaciones. El conocimiento tiene como finalidad prevenir a los responsables de tomar decisiones sobre situaciones interesantes, anomalías, e incluso amenazas no detectadas con anticipación. Los llamados “mineros” son auxiliares indispensables para la dirección de cualquier organización. PALABRAS CLAVE Sistemas de información, bases de datos, minería de datos, computación, administracion de proyectos y personas, planeación de sistemas de información estratégicos. ABSTRACT Thanks to computer science recently has emerged the field of data mining which consists of algorithms that extract “knowledge” of large databases which contain the history of the activities of organizations. Such knowledge has the finality of preventing to the decision makers about interesting situations, anomalies, and even threats that were not detected early. The so-called “miners” are indispensable aids for the head of any organization. KEYWORDS Information systems, databases, data mining, computing, project and people management, strategic information systems planning. Artículo publicado en la Revista Ciencia, Vol. 62, No. 3, correspondiente a julsep 2011. Reproducido con autorización de la Academia Mexicana de Ciencias y revisado por el autor. INTRODUCCIÓN Las instituciones y empresas privadas coleccionan bastante información (ventas, clientes, cobros, pacientes, tratamientos, estudiantes, calificaciones, fenómenos meteorológicos, etcétera, según su giro), aprovechando que las computadoras y los discos de almacenamiento se han abaratado, y las comunicaciones son también baratas y confiables. Esta información reside en bases de datos operacionales, llamadas así porque con ellas se lleva a cabo la labor sustantiva de las organizaciones: envío de mercancía a clientes, registro de estudiantes, tratamiento a pacientes, cobranza, entre otros. Posteriormente la información se depura y sumariza (resume) para transferirla a bases de datos conocidas como bodegas de datos. Son “fotografías” periódicas (trimestrales, digamos) del estado de la empresa. Aquí se lleva a cabo la labor Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 55 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna estratégica de la misma: averiguar qué pasa en ella. ¿Qué productos se venden significativamente menos? ¿Ha habido un auge inesperado de deserciones de las carreras en las ciencias sociales? ¿El aumento de la inversión en perforación de nuevos pozos no guarda proporción con la disminución de las reservas probables y probadas de hidrocarburos? Ésta es la zona de las decisiones estratégicas, y los sistemas usados para ellas se conocen como Sistemas de Apoyo a la Toma de Decisiones. Estos sistemas muestran al funcionario los indicadores principales del estado de la empresa (en el último bimestre, digamos). El funcionario indaga o averigua situaciones que él cree son de interés o preocupación. El sistema contesta con datos y gráficas para que aquél pueda tomar decisiones. Aunque el directivo o gerente tiene la experiencia necesaria, a menudo (por falta de tiempo, o porque no se le ocurrió) no mira situaciones que están tomando rumbos interesantes, peligrosos quizá. Así, ciertas decisiones importantes pueden ser soslayadas, ignoradas, o tomarse ya muy tarde. Se pueden así desperdiciar oportunidades o admitirse riesgos indeseables. Recientemente, a partir del auxilio de la computación ha surgido la minería de datos, en auxilio del directivo que toma decisiones. En las bodegas de datos se colocan “mineros”, algoritmos que buscan tendencias, anomalías, desviaciones o situaciones interesantes pero desconocidas, y otros eventos importantes. Estos mineros auxilian al directivo al mando del timón de la institución a mantener el mejor rumbo posible. Utilizan, además de las bases de datos, la inteligencia artificial (procedimientos para hallar grupos en situaciones similares, clasificar eventos nuevos en categorías conocidas, etcétera) y la estadística. Pero a diferencia de esta última, que toma una muestra de los datos y la estudia, la minería de datos estudia todos los datos. Mientras más datos se analicen, más precisa es, y su poder de detección y predicción aumenta. En este artículo hablaremos de los mineros. En un mundo globalizado, donde es importante saber lo que ocurre en el entorno de la institución, en su contexto, los mineros son auxiliares indispensables para el ejecutivo de una empresa bien organizada. Para que los mineros trabajen bien, la empresa debe: 56 a) Tener registros operacionales que apoyen sus trabajos cotidianos, sus funciones sustantivas. b) “Fotografiar” periódicamente estos registros, resumiéndolos (sumarizándolos), en “instantáneas trimestrales” que forman parte de la bodega de datos. c) Crear y depurar sus mineros de datos, haciéndolos trabajar exhaustivamente sobre la bodega de datos. En los primeros tres apartados de este artículo abordaremos estos aspectos. Finalmente, en el cuarto y final, daremos ejemplos de mineros creados y usados en México. LA OPERACIÓN COTIDIANA DE LA EMPRESA ¿De dónde proviene el mar de datos? Todas las organizaciones y empresas coleccionan y administran datos de su interés relacionados con personas, procesos u otro tipo de actividades para las cuales fueron creadas. Los más comunes son los relacionados con ventas de productos o servicios, empleados, pacientes o con clientes, o tan sofisticados como los que usa una organización dedicada a pronosticar el clima, o en actividades muy especializadas, como la detección de fraudes en el consumo de energía eléctrica. Las colecciones se pueden almacenar en discos de gran capacidad, que es ya posible comprar y tener en el hogar, y que pueden ser del tamaño de la palma de la mano o menos. Para darnos una idea de su capacidad, pueden almacenar el número del Registro Federal de Contribuyentes (RFC) y la edad de cada uno de los habitantes de la República Mexicana, para lo cual basta un disco con capacidad de almacenamiento de un terabyte (1012 bytes). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna El uso del mar de datos que surte al océano En general estas colecciones tienen dos principales tipos de usos o aplicaciones: a) El primer uso es en aplicaciones conocidas como “procesamiento de transacciones en línea“ (OLTP, por sus siglas en inglés). En este tipo de aplicaciones, las transacciones sirven para adicionar más información, realizando operaciones sobre uno o algunos datos de su interés, datos que también pueden ser borrados o modificados. Estas transacciones se llevan a cabo diariamente. (ver el artículo “La información es poder… sobre todo si está en una base de datos”, de Hugo César Coyote, en la revista Ciencia, Vol. 62, No. 3). Ejemplos de adición de nuevos datos es el registro de nuevas ventas o nuevos clientes; ejemplos de modificaciones a ellos es la disminución del saldo de las deudas por pago de los deudores, o cuando se incrementa la deuda por compras con tarjeta de crédito; y ejemplos de borrado es cuando ya no es necesario almacenar datos de clientes que ya no compran, de deudas ya pagadas, de calificaciones de alumnos que ya terminaron sus estudios en una escuela, de inventarios de años anteriores, o de ventas diarias de años anteriores, entre otras situaciones. Como muestra, en la tabla I se indican números aproximados de transacciones que administran algunas empresas a nivel nacional en México. b) Al paso del tiempo, los datos de las aplicaciones OLTP se transfieren, con una serie de procesos conocidos como extracción, transformación y limpieza a colecciones llamadas bodegas de datos, donde su segundo uso es el análisis; ya sea con el procesamiento analítico en línea (OLAP, por sus siglas en inglés, OnLine Analytical Processing), o la minería de datos. Ambos análisis se caracterizan por utilizar un gran número de datos de interés (caso contrario de las OLTP) que se generaron a través de varios días, meses o años, de acuerdo con el interés de la organización. A este uso se le conoce como “bodegas de datos para tomar decisiones estratégicas”. En la tabla II se dan valores aproximados del número de datos que se almacenan por varios años en una bodega de datos. ¿Cómo trabaja el análisis OLAP? En las bodegas, los datos se organizan en lo que se conoce como cubo de datos, cuyos componentes principales son las variables de análisis conocidas como dimensiones, y la variable numérica a revisar llamada hecho o medida. Tabla II. Ejemplo de historial de datos almacenados en una bodega de datos. Empresa Transacciones Anuales 820.8 millones consumos y pagos 374.4 millones de servicios y pagos 264 millones de compras 120 millones de consultas 3.840 millones de calificaciones CFE Telmex Comercial Mexicana IMSS IPN 10 años 8,208 millones 3,744 millones 2,640 millones 1,200 millones 38,400 millones Tabla I. Ejemplo de transacciones que almacenan algunas bases de datos. Empresa Dato de Interés Año Transacciones mensuales en millones Transacciones anuales (millones) CFE Clientes 34.2 millones 2010 Consumo-Pago 68.4 820.8 Telmex Líneas 15.6 millones 3er. Trm 2010 Servicio-Pago 31.2 374.4 2008 Compras 22 264 2010 Consulta externa 10.2 120 2010 Calificaciones de cuatro materias 0.640 (seis evaluaciones) 3.840 Comercial Mexicana IMSS IPN Productos 70,000 Pacientes 44,693,474 Estudiantes 160,000 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Otras transacciones Llamadas en un trimestre 4,900 millones 57 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna Un ejemplo de un cubo de datos con cuatro dimensiones y una medida a analizar puede verse en la tabla III, y la figura 1 muestra una representación gráfica. Las operaciones que aquí se realizan son principalmente conteos de datos, sumas de sus ventas o su producción y otras operaciones como saber el máximo o mínimo o promedio en un periodo de tiempo. Cuando se hace lo anterior, se dice que se desarrolla el análisis OLAP, y el resultado sirve como base para tomar decisiones, pues se revisa el comportamiento de interés. Tabla III. Ejemplo de cubo de datos para analizar consumos de energía. Dimensión/ Valor 1. Medidor 2. Tarifa 3. División 4. Mes Medición: Consumo Descripción Tipos de tarifas en la Republica Mexicana División geográfica propia de CFE 12 por año Consumo Valores por dimensión 34x106 Aproximadamente más de 100 13 crecer; otra gráfica que muestre sumatorias (sumas) de producción de derivados de petróleo en dos años podría indicar si la producción se mantiene en los dos años; otra gráfica con las sumatorias de nacimientos contra muertes por año en un periodo de 55 años podría indicar cuándo habrá una coincidencia de ambas (muertes y nacimientos). El análisis OLAP, con el historial de las actividades que han realizado los generadores de los datos, se realiza de manera manual, y dirigida por quien está al frente de la computadora revisando los cubos. LA MINERÍA DE DATOS AL AUXILIO DEL ALTO EJECUTIVO La minería de datos se especializa en realizar estas tareas con ayuda de una computadora, apoyándose en un modelo de trabajo o proceso que se ha construido con la secuencia que se indica en la figura 2. En esta sección nos concentraremos en la etapa de minería de datos. 12 Más de 34x1010 consumos en un año Fig. 2. Fases del proceso de Descubrimiento en Bases de Datos. Fig. 1. Representación gráfica del cubo con solo tres dimensiones para analizar consumos de energía. Los análisis se visualizan en gráficas, en las que se pueden inferir situaciones de interés. Por ejemplo, en un conteo de pérdidas en varios meses, una gráfica podría mostrar que es una tendencia a 58 ¿Cómo trabaja la minería de datos? Para detectar situaciones interesantes y anomalías (desviaciones de lo previsto), el software que lleva a cabo minería de datos se vale de varias técnicas y procedimientos (“algoritmos”). Algunos son: • Umbrales: si tenemos un registro periódico (diario, semanal, etc.) de alguna variable de interés (las ventas de cierto producto, digamos) podemos fijarles un máximo “tolerado”, arriba del cual nos interesa detectar excesos, y un mínimo “permitido”, abajo del cual deseamos que el minero nos informe. El algoritmo observa Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna • • • • • las ventas conforme pasan los días, y cuando detecta un valor más allá de los límites o umbrales fijados, nos avisa. Para no distraernos con “picos” pasajeros, podemos programar al minero para que nos avise si hay más de tres picos consecutivos (en tres semanas seguidas, por ejemplo). Tendencias: este algoritmo observa si de una semana a la siguiente la variable observada (las ventas, en nuestro ejemplo) tiene un crecimiento o disminución considerable (del 15% o más, digamos). Nos avisa de oportunidades que hay que aprovechar, o de problemas que debemos resolver. También se le puede pedir que sólo nos avise de los aumentos que ocurren en tres periodos de tiempo consecutivos, o si estos aumentos ocurren en establecimientos geográficamente cercanos (lo que significa que la tendencia se observa en toda una zona). Franja de normalidad: como a menudo la variable que estamos observando tiene un comportamiento estacional (por ejemplo, en época de frío se vende menos helado que en la de calor), en vez de establecer cotas superiores e inferiores, podemos decirle al minero que nos informe cuando la variable de interés se salga de una “franja de normalidad” establecida, tomando en cuenta, digamos, cómo se comportó esa variable (ese fenómeno que estamos observando) durante el año pasado. Comportamiento errático: quizá nos interese que el minero nos informe de épocas (o de zonas del territorio, o de productos) en que el comportamiento no siga una tendencia definida, es decir, registre tumbos, suba o baje. En este caso, el minero comparará varios valores semanales consecutivos. Máximos: ¿qué productos se venden más?, ¿en qué temporadas se venden más productos de ferretería?, ¿en qué zonas se venden más desodorantes para hombre? Un minero que sistemáticamente barra las ventas y detecte máximos podrá contestar preguntas de este tipo. Igualmente sucede con los valores mínimos: algo que se venda poco, una carrera en un instituto que tenga pocos egresados, una enfermedad que ya casi no ocurre, etcétera. Patrones frecuentes: “cada vez que alguien compra leche, compra pan”; es una regla que, de ser cierta, establece que (leche, pan) es un patrón Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 frecuente. Para que un patrón sea frecuente, sus componentes deben serlo (si pan es un producto poco comprado, entonces no puede ser miembro de ningún par de productos frecuentes). Los patrones frecuentes deben tener un soporte (el porcentaje de comprobantes de compra del supermercado donde se compró leche y pan) mínimo, digamos 6% de los comprobantes. Podría ser que el patrón frecuente (leche, pan) fuera parte de otro patrón frecuente más extenso, digamos (leche, pan, arroz). Para determinar los patrones frecuentes, el minero comienza examinando todos los comprobantes para saber cuáles son los ítems (productos individuales) frecuentes. Como a menudo los datos a examinar son voluminosos, no caben en la memoria principal de la computadora, y es necesario que el minero maneje cuidadosamente los accesos (lecturas) al disco, para no desperdiciar tiempo. Una vez detectados los patrones frecuentes, es relativamente fácil detectar los pares de patrones frecuentes, y de ellos ver cuáles son los tríos de patrones frecuentes, etcétera. • Reglas de asociación: una vez determinado un patrón frecuente, por ejemplo (leche, pan, arroz), sería interesante para el minero descubrir cuál producto causa que los otros sean comprados. Por ejemplo, ¿quién compra leche, compra también pan y arroz? En este caso, leche → pan, arroz. Pero pudiera ser que quien compra arroz y leche compra también pan. En este caso, arroz, leche →pan. Éstas se llaman reglas de asociación, útiles para determinar causa y efecto. Para que una regla de asociación sea establecida como tal, se requiere que la regla rebase cierta confianza mínima. Por ejemplo, la confianza de la regla leche →pan, arroz es el porcentaje de los clientes que, habiendo comprado leche, efectivamente también compraron pan y arroz. Como hay muchas reglas posibles a ensayar, el minero tiene que efectuar esos ensayos en un orden cuidadosamente establecido, a fin de no desperdiciar tiempo de máquina. • Cúmulos (clusters): dados todos los clientes de una cadena de establecimientos (o todos los pacientes de un conjunto de hospitales), usando técnicas de agrupación se pueden agrupar o clasificar a los clientes en, digamos, seis categorías o cúmulos, que nos representan a 59 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna clientes con propiedades parecidas entre sí, pero distintas a los pertenecientes a otros cúmulos. Hay otros métodos, omitidos aquí por brevedad. Así, usando la estadística, las bases de datos y la inteligencia artificial, los mineros van descubriendo automáticamente situaciones interesantes en un mar de datos. A diferencia de la estadística, que examina una muestra (una pequeña porción) de los datos para inferir características de todos los datos, el minero examina todos los datos. Éstos a menudo son muchos, por lo que, como hemos dicho, debe efectuar sus lecturas de disco y sus procedimientos en memoria con cierto orden, a fin de no desperdiciar tiempo. El análisis mediante minería de datos se lleva a cabo con dos actividades para obtener conocimiento no conocido: a). Describir en detalle a los generadores de datos. b). Predecir su comportamiento en su entorno; todo esto utilizando la historia almacenada en la bodega de datos. La descripción en detalle se hace a partir de una revisión exhaustiva de toda la información disponible, revisión que también permite conocer a los generadores de datos en cada momento. Y conocer el comportamiento de los generadores puede ayudar a las personas que toman decisiones a identificar futuras situaciones deseadas o no deseadas, aun con datos faltantes, y poder indicar el valor de estos con cierta certidumbre. El conocimiento obtenido puede ayudar a los ejecutivos en objetivos como los siguientes: • Mejorar los servicios o productos que se ofrecen. Esto es posible si se registra en la bodega el detalle de la respuesta a la compra por parte de los clientes al haber cambios en los productos o servicios, en cuanto a si se incrementa o se disminuye la venta. De estos resultados se puede aprender. • Evitar situaciones no deseadas, como la de perder clientes en servicios contratados. Estas situaciones se pueden prevenir, ya que se tiene el historial de la facturación de un servicio contratado, como el teléfono, al igual que los clientes que tienen el antecedente de que se han quejado por el servicio, los periodos de tiempo en que su número de llamadas decrece, y los que han cancelado su contrato en condiciones 60 similares. También se debe tener datos de clientes que se han logrado retener y con qué estrategias se logró, al igual que el costo de cada estrategia. Se busca retener clientes, dado que es más barato mantenerlos que ganar nuevos clientes. • No manufacturar productos que en un futuro ya no se venderán. Se pueden predecir cambios en los gustos de los consumidores, dado que con el historial de ventas se detectan las características de los productos que se dejan de vender. • Detectar productos de temporada. Una tienda comercial vende sus productos y registra la fecha de venta. Al revisar sus ventas por largos periodos, puede saber con precisión el intervalo de fechas en que algunos de estos productos tienen un alto volumen de ventas, y con esta información tomar una serie de decisiones alrededor de este comportamiento: cuáles productos comprar y ofrecer, cuándo pedir los productos para tenerlos disponibles, qué cantidad solicitar y almacenar para esas ventas con el fin de no tener sobrantes, realizar la publicidad apropiada para su venta, y en qué lugares ofrecer los productos o servicios. • Conocer productos o servicios que se pueden vender en forma conjunta. Al revisar el historial de las ventas se identificarán los productos que coinciden en su venta conjunta, y con las estadísticas se seleccionarán los conjuntos de productos que coinciden en alto porcentaje, definido por el usuario interesado. EJEMPLOS DE MINEROS Y SUS APLICACIONES Conviene dar algunos ejemplos que nos ilustren para qué sirven y cómo pueden ayudar los mineros a la toma de decisiones estratégicas y a mediano plazo. Usaremos trabajos realizados en el Centro de Investigación en Computación. Localizar tendencias de consumo a través del tiempo tomando como ejemplos a PEMEX y la Comisión Federal de Electricidad (CFE), en estas empresas es importante saber cómo se realiza el consumo de derivados del petróleo o de energía eléctrica a través del tiempo en el país. Para Pemex, en qué lugares se tiene un consumo similar de cierto derivado a través del tiempo, y así planear la distribución de este hidrocarburo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna Para CFE, saber esto le servirá para preparar la fuente generadora de energía con tiempo, generalmente con ayuda del agua de ríos o presas, dado que la energía hidroeléctrica es más barata que la generada por otros medios, como la termoeléctrica o la nuclear. El Centro de Investigación en Computación (CIC) del IPN construyó una herramienta llamada Sistema de Minería de Datos, módulo de ANASIN (conjunto de herramientas para realizar análisis), que puede tomar como fuente los consumos del derivado de gasolina por centro de distribución, en qué periodos se realizaron, o los consumos de energía eléctrica por zonas, con mediciones mensuales a través de varios años para reconocer algunos patrones o tendencias de consumo de energía. Con este sistema se puede seleccionar un patrón o tendencia (crecimiento, decrecimiento, constante o variada) con los valores de interés (consumos, en este ejemplo) a través de varios lapsos (días, semanas, meses, entre otros). Los programas del módulo ANASIN revisan en forma exhaustiva el cubo de datos, como el de la figura 1, y terminan su trabajo regresando ya sea un reporte o una serie de gráficas con los espacios de tiempo donde se cumple el tipo de tendencia buscado. Por ejemplo, las gasolineras con los periodos donde hay un crecimiento cuatrimestral continuo en su consumo del derivado (figura 3). El conocimiento de las características de las áreas con el tipo consumo localizado las deduce el usuario (las del sur de la República, o las del norte, por ejemplo). Localizar medidores de consumo de energía clasificados como malos medidores Para la tarea de identificar o clasificar malos medidores de energía se construyó un conjunto de programas con el nombre de “clasificadores”, también del módulo de ANASIN, que pueden tomar como fuente las mediciones de los consumos mensuales de energía para realizar las siguientes tres fases: 1. Con un conjunto de medidores de energía eléctrica y sus características (tipo, edad, número de hilos, tipo de negocio, cantidad de consumo, tipo de medición, entre otras), donde se indica quiénes realizan tanto una mala medición (ya sea en forma intencionada o no) como quienes realizan una buena medición, los programas aprenden a reconocer estas situaciones, regresando varios resultados; entre ellos, una estadística similar a la de la figura 4. La mala medición posiblemente es un fraude en el consumo. 2. Después, con otro conjunto de medidores y sus características, donde algunos realizan una mala y otros una buena medición del consumo, pero sin indicar a los programas la clasificación de la medición (buena o mala), estos programas, tomando como referencia la fase 1, deben indicar qué medidores realizaban una buena o una mala medición. Según el número de aciertos, se podía calificar la eficiencia de estos programas. El resultado de la eficiencia depende del conjunto Fig. 3. Presentación de patrones solicitados y localizados. Fig. 4. Resultados de clasificar un conjunto de objetos sin clases. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 61 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna dado en la fase 1, así que se puede mejorar ésta si se cambia el conjunto, hasta que el usuario quede satisfecho. 3. Ya con otro conjunto de medidores, sin saber si éstos realizan una mala o buena medición del consumo, y también tomando como referencia la fase 1, los programas producen una estadística de cuántos medidores realizan una buena o una mala medición, además del conocimiento para identificar los medidores (como se ilustra en la figura 4). Esta identificación puede tomarse como referencia para que los empleados de la empresa corroboren la situación de posible fraude en el consumo de energía, visitando la instalación del medidor. Tener una herramienta con un menor error que la creencia humana al visitar un medidor que pudiera estar realizando malas mediciones se refleja en una menor inversión de tiempo, dinero y personas asociadas a esta tarea. Como imaginará el lector, la utilidad de esta actividad es disminuir el esfuerzo y tiempo para detectar y clasificar estas situaciones, además de usar un menor número de recursos físicos (personas, transporte y planeación de las visitas). Las decisiones de mantener o corregir esta situación dependían ya de la dueña de los datos. Herramienta para localizar comportamientos complejos predefinidos Otra herramienta construida es Antecumem (Análisis Temporal en Cubos de datos en Memoria), la cual permite localizar algunos análisis predefinidos en diferentes ambientes de datos. En ésta el cubo de datos puede tener n dimensiones di y el valor numérico de interés con el cual obtener el agregado derivado (ejemplos: sumar ventas o contar productos). Q es la consulta que define un subcubo, vi es el valor en la i-ésima dimensión, Ri un intervalo en la i-ésima dimensión y S(C) es una suma de valores en el subcubo C. Los análisis predefinidos abarcan algunas de las consultas más frecuentes de operaciones en cubos de datos sin usar jerarquías; preguntas como “localizar los productos que más bajaron sus ventas en dos temporadas” o “localizar los productos de temporada en verano” . 62 A continuación se mencionan algunos de los análisis predefinidos más comunes: 1. Puntual: localizar valor del hecho en valores por cada una de las di: Q(v1, v2, …, vn). 2. Con sólo intervalos o rangos: se tiene un subcubo de datos definido por rangos para cada una de las di, del cual se obtendrá una suma. S(C)=Q(R1, R2,…Rn) 3. De eficiencia entre dos cubos: calcula un porcentaje de incremento o decremento en dos subcubos de datos, E=100((S(C2) /S(C1))-1). 4. De eficiencia grupal: eficiencia de un conjunto de elementos de una dimensión entre dos subcubos de cada elemento, Ei=100((S(Ci,2) /S(Ci,1))-1), donde i son cada uno de los elementos de la dimensión de interés. 5. Sobre conservación/pérdida: permite localizar elementos en una dimensión entre dos subcubos que se conservan o pierden una posición entre los mejores o peores, puede variarse el tiempo (para comparar períodos) u otra dimensión. 6. De temporalidad: igual que pregunta anterior, pero se trata de más de dos subcubos, si varían las unidades del tiempo, serán períodos de tiempo más largos (días, semanas, meses, años, entre otros). 7. De búsqueda de tendencias en elementos de una dimensión: localiza los elementos que tienen un comportamiento específico en un número de períodos o momentos continuos de tiempo. A una pregunta de temporalidad como “Se desea saber cuáles productos en el inervalo de [5003,000] fueron los mejores en el año de 1998 y se conservaron entre los 10 primeros en las ventas en el año de 1999 en todos los clientes y en todas las promociones”, Antecumem responde indicando el tiempo que tardó, cuantos y que productos se mantuvieron, y que resultados numéricos contribuyeron a la respuesta. Otra pregunta de tendencia como “Se desea saber cuáles productos en elintervalo de [500-3,000] fueron de los diez mejores durante tres meses consecutivos a partir de febrero en 1998, es decir se conservaron entre los diez primeros en las ventas para todos los clientes y en todas las promociones”. Antecumem responde nuevamente indicando el tiempo que tardó, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna y cuántos y qué productos se mantuvieron con la tendencia especificada. Por separado se tendría que revisar los valores en esos lapsos de tiempo para corroborar el resultado. Al igual que las herramientas anteriores, la Minería de Datos realiza una revisión exhaustiva en los datos para hallar el conocimiento deseado, pero queda la tarea de que esta la valida el usuario. El futuro de estas herramientas está en tratar de facilitar los dos tipos de análisis de datos, pero agregando las técnicas del área de estudio conocida como “visualización de la información”. Para mayor información consultar www.kdnuggets.com y http://conferences.computer.org/infovis/. El lector puede consultar una amplia variedad de ejemplos de herramientas de minería de datos y de OLAP tanto comerciales como de acceso libre en la página www. kdnuggets.com Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 BIBLIOGRAFÍA Chaomei, Chen (2006), Visualization information, beyond the horizon, Londres, Springer. Chen, Z. (2001), Intelligent data warehousing, Boca Raton, CRC Press. 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Witten, Ian H., Frank Kaufmann y Morgan Kaufmann (2005), Data mining: practical machine learning tools and techniques, 2ª ed., edición de Jim Gray, San Francisco, California, Morgan Kaufmann Publishers (The Morgan Kaufmann series in Data Management Systems). 63 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos Nicolás González Fonseca, Jesús de León Morales Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL nicolasgzz@gmail.com; drjleon@gmail.com RESUMEN El retraso en sistemas teleoperados es uno de los problemas más importantes en control y para disminuir sus efectos negativos se han implementado diversas técnicas. Una de las opciones más interesantes para los investigadores en el área de control es el uso de control en modos deslizantes. Más importante aún es la combinación de las técnicas de modos deslizantes con los controles basados en impedancia, la cual permite disminuir el ‘chattering’ asociado con el funcionamiento normal de modos deslizantes. El uso de observadores ha sido analizado ampliamente en la literatura, sin embargo en muy pocos casos se aborda el caso no lineal. Este trabajo presenta un nuevo esquema de control de sistema de teleoperación de modos deslizantes basado en impedancia. Además se proponen dos posibles observadores que evitarían el uso de sensores de velocidad en el sistema esclavo, reduciendo costos y las dimensiones del control. La comparación del observador super twisting con el Lyapunov-Krasovskii es una de las aportaciones más importantes de este trabajo. PALABRAS CLAVE Teleoperación, control, retardos, impedancia, deslizantes. ABSTRACT Delay in teleoperatorated systems is one of the most important problems in control, and for reducing its effects; several techniques have been implemented. One of the most interesting options for the researchers working on control is the application of sliding mode control. It is even more important the combination of control of sliding mode with impedance based controls, which allows the reduction of chattering, associated to normal functioning of sliding controls. The use of observers has been widely reviewed in literature, however, non linearity is considered in very few cases nonlinear observers has been proposed to be used in teleoperation, specially considering time delayed. This paper presents a new scheme for a teleoperation control system of sliding mode based on impedance. Besides two possible observers which would avoid use of high speed sensors in the slave system, reducing costs and control dimensions. The comparison of the super-twisting observer with the Lyuapunov-Krasovskii one, is one of the main contributions of this work. KEYWORDS Teleoperation, control, delays, impedance, sliding. 64 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. INTRODUCCIÓN Recientemente ha habido gran interés por el estudio de los sistemas que presentan retardos en el tiempo. Muchos sistemas físicos muestran este tipo de fenómeno, por ejemplo en comunicaciones, la transmisión de datos está siempre acompañada de un retardo, así mismo ocurre en sistemas biológicos. El efecto de los retardos en el tiempo en un sistema no lineal en lazo cerrado puede provocar inestabilidades en éste; y por este motivo es importante realizar estudios de estos sistemas bajo los efectos del retardo en el tiempo. Los retardos en el tiempo se pueden presentar tanto en el propio estado (las variables internas del sistema) como en las entradas del sistema, y pueden provocar comportamientos complejos, tales como: oscilaciones, inestabilidad, y mal desempeño, entre otros. Por ejemplo un pequeño retardo podría desestabilizar un sistema, mientras que uno más grande podría estabilizar otros. Un retardo que aparece en el estado de un sistema no lineal podría generar un comportamiento caótico, mientras que un sistema caótico podría ser estabilizado con un retardo en la salida del sistema. Por lo tanto, el estudio de los efectos de los retardos en el tiempo en un sistema dinámico es de gran importancia porque permitirá entender el comportamiento dinámico de un sistema y diseñar estrategias de control que mejoren el desempeño.1 Los retardos en un sistema no lineal se pueden presentar ya sea en la entrada del sistema o en el estado. Un problema particular donde se aprecian los efectos de los retardos en el tiempo es en los teleoperadores. Un teleoperador es una máquina que permite mover, medir y manipular objetos a distancia. Por lo general está constituido de sensores y dispositivos que permiten su manipulación y/o movilidad, además de un dispositivo de comunicación entre el proceso a manipular y el operador, los cuales se encuentran físicamente separados a una distancia considerable. 2 La manipulación a distancia se logra mediante un manipulador controlado por un operador, llamado el sistema maestro, denotado por rm, este provee los comandos o acciones que se deben ejecutar en el proceso, el cual es denominado sistema esclavo, y denotado por re (ver figura 1). Si el sistema Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Fig. 1. Modelo de teleoperador de dos puertos. esclavo posee sensores, entonces puede transmitir o retroalimentar información del estado del entorno remoto al sistema maestro, y en tal caso se dice que el teleoperador es bilateral. La comunicación entre el sistema maestro y el sistema esclavo permite aplicar el control sobre el entorno remoto, sin embargo esta misma comunicación puede generar inestabilidad debido a la presencia de retardos en la comunicación o en la transferencia de información. En la figura 1 se muestra la descripción general de un teleoperador bilateral (de dos canales), donde los sistemas maestro y esclavo se pueden agrupar en un solo elemento. El problema de la inestabilidad debida a los retardos constantes en el tiempo en un sistema no lineal retroalimentado ha sido resuelto en,3 donde se derivó un esquema de compensación de retardos constantes en el tiempo, el cual garantiza la estabilidad del sistema. Sin embargo, no mucho se ha podido desarrollar para un sistema con retardos variables en el tiempo, y en tales casos en su mayoría para sistemas lineales,4,5 y 6 Este problema de inestabilidad en la presencia de retardos ha supuesto un limitante en el uso de algunas tecnologías útiles en teleoperación, tales como Internet.7 Actualmente, la red de Internet ha sido ampliamente utilizada como medio de comunicación, ya que se encuentra accesible para todo tipo de usuario y prácticamente no tiene limitantes en cuanto a la distancia del dispositivo a teleoperar. Los dispositivos a teleoperar (figura 2) pueden ser muy diversos pero en estos casos se hará referencia a brazos mecánicos con un comportamiento dinámico similar a un sistema masa-resorte. ANTECEDENTES El problema del retardo en el tiempo en sistemas no lineales ha sido tratado mediante diferentes técnicas y métodos, entre los cuales se encuentran los siguientes: 65 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. Nuevas arquitecturas de comunicación. Anderson y Spong3 propusieron una nueva arquitectura de comunicación, la cual está basada en la teoría dispersión. En esta arquitectura se representa al teleoperador como esquemas conectados en serie de uno y dos puertos, con un flujo de esfuerzo que se intercambia entre cada uno de los puertos. La relación entre las fuerzas y las velocidades de todos los puertos es entonces representada por una matriz híbrida, la cual cumple con la definición de operador de dispersión. Por otro lado, en este esquema se garantiza la pasividad de dicho sistema. Posteriormente, Niemeyer y Slotine8 desarrollaron un método para caracterizar los retardos en el tiempo cuando estos son constantes. Esto se logró mediante la transmisión de una combinación de señales de onda desde el sistema maestro rm, luego obteniendo las señales en el sistema esclavo (figura 2). Utilizando estas herramientas se logra recuperar las señales de onda original con un retardo que garantiza una conexión sin perdidas en el teleoperador. Fig. 2. Algunos dispositivos que podrían utilizarse en teleoperación. Análisis de Impedancias. En el contexto de líneas de transmisión, es bien conocido que si la carga al final de la línea tiene una diferente impedancia que la impedancia característica de la línea de transmisión, entonces ocurre una reflexión de onda. En teleoperación, tal reflexión disminuye el desempeño del sistema. Esto lleva a la introducción de los conceptos de compatibilidad de impedancias. La compatibilidad de impedancias fue abordada por Hogan en,9 y el trabajó sobre la compatibilidad de impedancia robusta basada en un modelo de la impedancia deseada y diseñando un control de modo deslizante fue presentado por Cho y Park en.10 66 Uso de observadores para compensar retardos. Brady y Tarn11 estudiaron el problema del retardo variable en el tiempo y diseñaron un observador para estimar el retardo y el estado del sistema en un aplicación de Internet. Por otro lado, aunque de manera similar, Munir y Book12 usaron un Filtro de Kalman y un observador para predecir las variables de onda y compensar los retardos utilizando los resultados obtenidos en3 y aprovechando la pasividad del sistema. Controladores aplicados a sistemas con retardos. Sano et al.13 diseñaron un controlador H∞ para estabilizar el teleoperador para un retardo en el tiempo constante. En14 se muestra un controlador adaptable que tiene el mismo efecto en un teleoperador unilateral o bilateral. Además en15 se considera un esquema adaptable que permite trabajar con incertidumbres paramétricas. Se ha desarrollado un control óptimo combinado con la ecuación funcional de Bellman en16 la cual es válida para un sistema con retardos. La teoría de control de modos deslizantes también ha sido analizada para sistemas con retardos, ante la presencia de un sistema con retardo en el estado el procedimiento es similar al aplicado a un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias, este se muestra en.17 Por otro lado en18 y 19 es introducido el control con retardo en el tiempo, una técnica que introduce voluntariamente un pequeño retardo en el diseño del control con la finalidad de reducir el efecto de perturbaciones. Control de seguimiento adaptable. Con esta técnica se aborda el problema principal de la teleoperación bilateral el cual es, garantizar la estabilidad mientras el esclavo es capaz de efectuar un adecuado seguimiento del maestro. Bajo la suposición que el operador pasivo y el ambiente remoto son pasivos en tal caso la estabilidad del sistema completo está asegurada.3,8 Sin embargo, en la mayoría de las aproximaciones basadas en scattering es imposible asegurar el seguimiento de la posición. Esquemas tipo PD que son capaces de superar este problema se pueden encontrar en4,20,21 CONTROL DE IMPEDANCIA PARA SISTEMA MAESTRO En muchas tareas de teleoperación, los robots manipulados frecuentemente interactúan con su Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. ambiente remoto. Cualquier fuerza de contacto excesiva entre el robot y el ambiente puede dañar el sistema, por lo que esta situación debe ser evitada. Debido a esto, a pesar de lo exacto que pueda ser un buen control de seguimiento es muy importante desempeñarlo con seguridad. En este campo es bien sabido que un control de impedancia, el cual controla la relación entre la fuerza aplicada y la velocidad del actuador en el maestro, es adecuado para este tipo de objetivos en un sistema teleoperado. Considere que las siguientes ecuaciones diferenciales representan las dinámicas de los sistemas maestro y esclavo en un sistema teleoperado: mm �� xm + bm x�m = fh + um (1) ms �� xs + bs x�s = us − fe (2) Donde x i representa la posición, y ẋ i, ẍ i la velocidad y la aceleración respectivamente; ui es el torque generado por el control; mi y bi representan los coeficientes de la masa y de fricción respectivamente, con i=m,s denotando maestro y esclavo; fh es la fuerza aplicada en el maestro por el operador humano, entendiéndose como la señal de referencia; y fe es la fuerza reflejada en el esclavo por el ambiente remoto. Este esquema de teleoperación bilateral puede ser representado también por el diagrama de la figura 3 donde la posición y la fuerza del maestro son transmitidas al esclavo y la fuerza de contacto del esclavo es enviada al maestro a través del canal de comunicación con un retardo T2. Durante todo el análisis de este trabajo se asume que el retardo tiene un valor constante. Es importante aclarar este punto ya que los retardos que varían en función del tiempo tienen otro tipo de implicaciones en sistemas teleoperados. Como se percibe, en este canal de comunicación existe un retardo, de manera que la Fig. 3. Esquema de señales con retardo para Teleoperación bilateral. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 relación de las señales está dada por las siguientes ecuaciones: xmd (t ):= xm (t −T1 ) (3) d x�m (t ):= x�m (t −T1 ) (4) fhd (t ):= fh (t −T1 ) f d e (5) (t ):= fe (t −T2 ) (6) Donde x , x� y f son la posición, la velocidad del maestro, y la fuerza ejercida por un operador humano respectivamente, las cuales son transmitidas al esclavo a través de un canal de comunicación; f_e^d es la fuerza externa en el esclavo transmitida a través del maestro; T1 es un retardo de tiempo de la señal que fluye desde el maestro al esclavo, y T2 es el retardo en la dirección opuesta. Se asume razonablemente que la fuerza exógena, es decir la fuerza que el operador humano aplica al sistema maestro está acotada por arriba. Además, no se considera expresión matemática alguna que modele el comportamiento del operador humano. Otras suposiciones importantes tienen que ver con el canal de comunicación. En este caso asumimos que no hay pérdidas en los paquetes de transmisión, por lo que se puede decir que no habrá espacios vacíos en cada instante de muestreo. Esto significa que los controladores siempre tendrán datos disponibles en su respectivo instante de muestreo. Se asume que el tiempo de muestreo TS es el mismo en el maestro y el esclavo y además que los paquetes de información no llegan en desorden, como se ve en la figura 4. Las señales retardadas al salir del canal de comunicación son escaladas dependiendo de los requerimientos de la teleoperación. Usando coeficientes de escalamiento, la posición y la velocidad quedan de la siguiente manera: d m d m d h xs = k p xmd (7) f h = k f f ed (8) Fig. 4. Esquema de señales con retardo T 1 para teleoperación bilateral. 67 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. Donde kp y kf son factores que escalan la posición y la fuerza respectivamente. Reescribiendo la ecuación diferencial (1) del sistema maestro en la forma de variables de estados, se obtiene las siguientes ecuaciones. x�m1 = xm 2 (9) x�m 2 = − bm 1 1 xm 2 + um + fh mm mm mm (10) De manera análoga se reescribe la ecuación (2) para el sistema esclavo: x�s1 = xs 2 (11) x�s 2 = − bs 1 1 xs 2 + us − fe ms ms ms Donde mm , bm , km > 0 son la inercia, el factor de amortiguamiento y de rigidez respectivamente, de una impedancia deseada. Sustituyendo esta ecuación en la ecuación diferencial del sistema maestro (1), el error en la impedancia en lazo cerrado se muestra como mm f h − k f f ed −bm x�m − km xm mm ( ) (14) Es decir, aplicando el control um el sistema maestro se comporta con la dinámica deseada por el operador dada por la ecuación de impedancia deseada. Se puede ver como el control en el maestro impone una dinámica deseada, entre la velocidad del maestro y la combinación de la fuerza del operador humano y de la fuerza retardada de contacto.9 CONTROL MODOS DESLIZANTES BASADO EN IMPEDANCIA PARA SISTEMA ESCLAVO Bajo un criterio similar, se considera el diseño del control en el esclavo para producir una impedancia deseada considerando la fuerza de contacto y que sea robusto a un tiempo de retardo desconocido. El control se diseña como un control de modos deslizantes de alta orden. Para este fin se considera 68 ⋅⋅ ⋅ ms x� s + bs x� s + kx�s : = − f e (15) Donde ms , bs , k s > 0 son la inercia, el factor de amortiguamiento y de rigidez, y �� x�s : = �� xs − k p �� xmd , x��s : = x�s − k p x�md , x�s : = xs − k p xmd son los errores de seguimiento para la aceleración, la velocidad y la posición respectivamente. Como el interés es obtener la ecuación anterior (15) en lazo cerrado, entonces se entiende que la superficie deslizante es la siguiente ⋅⋅ (12) Con el control de impedancia es posible establecer la impedancia deseada entre la fuerza del humano y la fuerza externa (la fuerza de contacto en el ambiente). Suponga que la dinámica que se desea imponer en el maestro está dada por: mm �� xm + bm x�m + km xm = f h − k f f ed (13) um =− f h + bm x�m + la impedancia deseada en el esclavo como: ⋅ I e = ms x� s + bs x� s + k x�s + f e = 0 (16) Ahora se puede definir el error extendido de la siguiente manera t ts 1 ⎡ Ω= ⎢ I e (t )dt + ki ∫∫sign (I e (t ))dt ds ms ⎣∫0 00 ⎤ ⎥ (17) ⎦ Donde ki>0 es la ganancia del modo deslizante. Sustituyendo estas dos ecuaciones, e integrando, el resultado del error es el siguiente t ⋅ Ω = x� s + bs 1 ⎡ ks x�s + f e ⎤⎦ dt + x�s + m� ms m� s ∫0 ⎣ ki ms ts ∫∫sign (I (t ))dt ds (18) e 00 El control para el sistema esclavo us tiene por lo tanto la siguiente forma us = − ms mm ms ⎛ ⋅ t ⎜ bs x� s + k s x�s + f e + ki ∫sign (I e (t ms ⎝ ( 0 ⎞ ))dt ⎟ + ⎠ ) k p f hd − k f f edd − bm x�md − km xmd + f e + bs x�s − k g Ω (19) Donde f edd = f e (t − 2T ) , el índice dd se refiere a la señal con un doble retardo 2T , k g > 0 , y sign(∙) es la función signo. El término k g Ω se ha agregado para asegurar estabilidad6 su propósito queda claro al realizar un análisis de estabilidad en lazo cerrado, pero que aparece en un trabajo previo.22 También note que el uso de este control requiere de contar con una medición de aceleración debido al uso de Ie. Para evitar el uso de la medición, así como del uso del equipo, la aceleración y la velocidad son estimadas, mediante el uso de un observador de modos deslizantes tal y como en el ejemplo anterior. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. OBSERVADOR SUPER-TWISTING Con el propósito evitar el uso de sensores de velocidad para la implementación del control en el sistema esclavo se utiliza un observador de estado. Para poder hacerlo las ecuaciones del sistema esclavo (11) y (12) se deben reescribir en la siguiente forma canónica. (20) x�1 = x2 x�2 = F (x1 , x2 )+Φ (u , y ) (21) Con b F (x1 , x2 ) = − s x2 ms 1 1 us − fh Φ (u , y ) = ms ms (23) (25) � + ë x� − x� sign (x� − xˆ )⎤ (26) x�ˆ2 = E1 ⎡Θ 2 2 2 2 2 ⎣ ⎦ �� = E a sign x� − xˆ (27) Θ ( 2 2) 2 2 Donde xˆ1 y xˆ2 son los estados estimados por el observador. Por otro lado x�1 es la posición del sistema esclavo utilizada para generar el error de estimación que excitará las dinámicas del observador. Las ganancias λ1 y λ 2 serán sintonizadas de acuerdo con el comportamiento deseado, así como α1 y α 2 . Es de resaltar el uso que hace el observador de la función signo sign( )?. Por otro lado las variables E1 y E2 puede tomar los valores 1 o 0 de acuerdo al siguiente criterio: Ei = 1 si e j = x j − xˆ j ≤ ε, ∀j ≤ 1 de lo contrario Ei = 0 . OBSERVADOR LYAPUNOV-KRASOVSKII Otra opción para estimar los estados del sistema esclavo es el observador Lypaunov-Krasovskii. En este método consideramos un sistema de forma triangular dado por: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 (28) Donde τc es el retardo, y en este caso el retardo también se considera constante en el tiempo. Para un sistema que cumple con esta estructura triangular un observador Lyapunov-Krasovskii está dado por: z� = Az + Ψ (x, xrc , u , urc ) − (29) θΔ θ−1S −1C T C {z − x} (22) Para el sistema de teleoperación bilateral considerado, el cual cumple con la forma canónica, un observador super-twisting23 está dado por las siguientes ecuaciones x�ˆ1 = x�2 + l 1 x�1 − xˆ1 sign (x�1 − xˆ1 ) (24) x��2 = a 1sign (x�1 − xˆ1 ) � x = Ax + Ψ (x, xrc , u , urc ) y = Cx x (s ) = ϕ (s ); ∀s ε [−τc , 0] yˆ = Cz (30) 1 1 Δ θ = diag (1, ," , n −1 ) con θ > 0 es Donde θ θ un parámetro sintonizable (ganancia) del observador. Por otro lado S es la solución única de la ecuación algebraica de la Ecuación de Lyapunov: S + AT S + SA − C T C = 0 (31) Se utilizan entonces estas ecuaciones para obtener un observador Lyapunov-Krasovskii para el sistema de teleoperación utilizado. Consideramos que para el caso de las dinámicas del sistema esclavo dadas por las ecuaciones (11) y (12), la matriz A y el valor de Ψ(x, xrc, u, urc) están dados por: ⎡0 1 ⎤ A=⎢ ⎥ ; Ψ (x, xrc , u, urc ) = ⎣0 0⎦ 0 ⎡ ⎤ ⎢1 ⎥ ⎢ us − f ed − bs z2 ⎥ ⎢⎣ ms ⎥⎦ ( ) Por lo tanto, usando estas matrices en la forma canónica (29) y (30), además resolviendo la ecuación de Lyapunov (31) para el valor obtenido de A, entonces el observador Lyapunov-Krasovskii para el sistema teleoperado bilateralmente con retardos constantes está dado por las siguientes ecuaciones: z�1 = z2 − 2θ (z1 − x1 ) (32) z�2 = 1 us − f ed − bs z2 − θ2 (z1 − x1 ) ms ( ) (33) 69 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. SIMULACIÓN A continuación se realizó una simulación que permitiera comprobar la eficiencia de dicho esquema, además de poder obtener una comparación entre ambos observadores. Para la simulación se utilizaron los siguientes parámetros para el maestro: mm = 1.7, cm = 0.4, mm = 1.9, cm = 2, km = 0.01, k f = 0.9. De manera similar para el sistema esclavo : ms = 7, cs = 0.9, ms = 0.3, cs = 0.5, k s = 15, k p = 10.69, ki = 1, k g = 50. Los parámetros utilizados para sintonizar el observador supertwisting λ1 = 10, λ 2 = 10, α1 = 20, α 2 = 1. Así mismo se utilizó una θ=5. La sintonización del las ganancias del observador se hace de manera experimental y se debe probar con distintos valores para asegurar el mejor desempeño. Los resultados de ambos observadores con los controles antes citados se muestran en las siguientes figuras. En la figura 5, se muestra el seguimiento del sistema esclavo al maestro, es además visible el retardo en la reacción del sistema esclavo debido al retardo inducido por el canal de comunicación. Fig. 6. En esta gráfica se muestra el comportamiento de los observadores Lyapunov-Krasovskii (LK) y el Super Twisting (ST) al estimar los estados del sistema esclavo sin retardo con retardo de 1s. reacción que pueda dañar al dispositivo, utilizando las mediciones aportadas por el observador. Finalmente en la figura 7 se muestra el efecto que tiene el retardo en los observadores particularmente. La diferencia en la trayectoria de ambos observadores es apenas notoria en el transitorio, y casi imperceptible una vez que han alcanzado la trayectoria. Es notorio como al incrementarse el retardo el desempeño se empobrece. Sin embargo, las oscilaciones que se presentan se deben al efecto del retardo en el sistema retroalimentado en general, i.e. la sincronización maestro esclavo, y no únicamente a un mal desempeño del observador. Fig. 5. Seguimiento del sistema esclavo (líneas punteadas) al sistema maestro (línea continua) con un retraso de 1s. En la figura 6, la estimación de los observadores en el sistema esclavo, aunque con oscilaciones, los parámetros pueden ser sintonizados para tener un estimado aceptable. En ellas se aprecia, como el control del sistema esclavo sigue de manera aceptable al sistema maestro considerando el objetivo de un control basado en impedancia el cual es evitar una 70 Fig. 7. El efecto del retardo en el tiempo sobre los observadores. a) considerando un retardo de 1s. b) considerando un retardo de 3s. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. CONCLUSIONES En este trabajo se presentó una solución al problema de inestabilidad en presencia de retardos para un sistema de teleoperación bilateral. Además el esquema propuesto no requiere ningún sensor de velocidad ya que utiliza un observador de estados para obtenerla. Se ofrecieron dos esquemas de observación super-twisting y Lyapunov-Krasovskii, para el esquema de control propuesto. Mediante simulación se presentó una comparación en el desempeño de estas dos diferentes técnicas de observación bajo el efecto de un retardo constante. Se verificó el funcionamiento de los esquemas mediante simulación en MatLab. Los resultados obtenidos muestran que utilizando observadores de estimación de estados es posible obtener buenos resultados al acoplarlo con un sistema de control basado en modos deslizantes aun y con cierta cantidad de retardos. Por otro lado, al considerar un retardo en los canales de comunicación, una situación muy práctica y apegada a la realidad, se muestra que el esquema control-observador es estable para un retardo constante y acotado, si bien al aumentar dicho retardo se empobrece el buen desempeño del esquema. Comparando ambos observadores es notorio que ambos tienen un buen desempeño en simulación. El observador super-twisting tiene como ventaja que no requiere conocer los parámetros del sistema lo cual lo hace especialmente robusto a incertidumbres paramétricas, pero tiene como desventaja que su sincronización puede llegar a ser complicada debido al número de ganancias envueltas. Por otro lado como desventaja del observador LyapunovKrasovskii es que sí se requiere la información completa del modelo, pero de su forma dinámica su comportamiento es más suave y además es mucho más sencilla y práctica su sintonización al solo elegir un valor adecuado para θ. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Niculescu, S., Delay Effects on Stability., Springer-Verlag 2001. 2. Sheridam, T.B., Teleoperation, Telerobotics and Telepresence: A Progress Report., Control Eng. Practice, Vol.3, No.2, pp. 205-214, 1995. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 3. Anderson, R..J., and Spong, M.W., Bilateral Control of Teleoperators with Time Delay. IEEE Trans. Automat. Contr., AC-34, No.5, pp. 495501. 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Y.C.Cho; Park, J.H., Stable Bilateral Teleoperation under a time delay using a robust impedance control., J. of Mechateronics, Vol. 15, 2005, pp.611-625. 11. Brady, K; Tarn, T.J,. Internet-based remote teleoperation,. IEEE Int. Conf. Robot. Auto., 1998, pp. 65-70. 12. Munir, S; Book, W.J., Internet based teleoperation using wave variable with prediction., IEEE/ ASME Trans. Mechateronic, Vol.7, 2002, pp. 124-133. 13. Sano, A. Fujimura, H; Tanaka, T., Gain scheduled compensation for time delay of Bilateral Teleoperation Systems., Proc. IEEE Int. Conf. on Robot. Auto., Leuven, Belgium, 1998, pp. 1916-1923. 14. Zhu, W.H.; Salcudean, S.E., Stability guaranteed teleoperation: an adaptive motion/force control approach., IEEE Trans. Automat. Contr. Vol. 45, No.11, 2000, pp. 1951-1969. 71 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. 15. Lozano, R.; Chopra, N.; Spong, M.: Passivation of force reflecting bilateral teleoperators with time varying delay. Mechatronics’02, Entshede, Netherland, 2002. 16. Kolmanovskii, V.; Shaikhet, L., Control of Systems with aftereffect., Transactions of Mathematical Monographs, Vol. 157, 1996. Providence, RI: American Methematical Society. 17. Gouaisbaut, F., Perruquetti, W., Orlov, Y., & Richard, J. P. A sliding-mode controller for linear time-delay systems. In ECC’99, Karlsruhe, Germany 1999. 18. Youcef-Toumi, K. & Ito, O. A time delay controller design for systems with unknown dynamics. ASME Journal on Dynamic Systems Measurement and Control, 112, 113-142. (1990). 19. Youcef-Toumi, K., & Reddy, S. Analysis of linear time invariant systems with time delay. ASME Journal on Dynamic Systems Measurement and Control, 114(4), 623-633. (1992) 20. Nuño, E., Basañez, L., Ortega, R., & Spong, M. W., Position tracking for nonlinear teleoperators with variable time-delay. International Journal of Robotics Research, 28(7), 895-910. (2009). 21. C h o p r a , N . , & S p o n g M . W . , O u t p u t synchronization of nonlinear systems with time delay in communication. In IEEE conf. on decision and control, pp. 4986-4992. (2006). 23. Davila, J., Fridman, L & Levant, A., Sliding-order sliding-mode observer for mechanical systems. Automatic Control, IEEE Transactions on 50. Issue 11, pp. 1785-1789, 2005. 22. González, N., et al., A sliding mode-based impedance control for bilateral teleoperation under time delay. 18th IFAC World Congress, Milan, Italia 2011. http:// aplicaciones.its.mx/congreso2011/ Tel: +52(844) 438 9539 72 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Eventos y reconocimientos I. VERANO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA 2011 La UANL a través de la Secretaría de Investigación, Innovación y Posgrado llevó a cabo la edición 2011 del Programa “Verano de Investigación Científica y Tecnológica” (PROVERICYT) el cual tiene como objetivo fomentar el interés de los estudiantes por la actividad científica en sus diferentes ramas. Este año participaron 426 estudiantes, 148 de nivel medio superior y 274 de nivel superior, de 29 dependencias de la UANL, distribuidos en las siguientes áreas del conocimiento: Ciencias de la Salud, Ciencias Naturales, Ciencias de la Tierra, Ciencias Exactas, Ciencias Sociales, Ingeniería y Tecnología y Humanidades. Los jóvenes trabajaron de tiempo completo en proyectos de actualidad en laboratorios de investigación supervisados por 148 profesores expertos, quienes los apoyaron en la definición de su vocación científica, ampliaron sus conocimientos y enriquecieron su formación profesional. Después del arduo trabajo realizado durante 5 semanas, el 21 de julio se efectuó la clausura del Alumnos participantes en el Verano de Investigación Científica y Tecnológica 2011, quienes realizaron sus proyectos en la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Verano de Investigación Científica y Tecnológica 2011 por parte del Dr. Mario César Salinas Carmona Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado de la UANL. II. DÍA NACIONAL DEL INGENIERO 2011 El 2 de julio el Colegio de Ingenieros Mecánicos, Electricistas y Electrónicos de Nuevo León A.C. (CIME NL), en conjunto con las universidades y centros de educación superior del Estado de Nuevo León, organizó una ceremonia con motivo del Día Nacional del Ingeniero 2011, en la que se entregaron reconocimientos por su trayectoria profesional a distinguidos ingenieros. En este evento, presidido por el Ingeniero Manuel Fraustro Sánchez, Presidente del Colegio de Ingenieros Mecánicos y Eléctricos de Nuevo León, se homenajeó a los siguientes ingenieros: El M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIMEUANL entregando el reconocimento por su trayectoria profesional al M.C. Juan Ángel Garza Garza, catedrático de la FIME-UANL, durante la ceremonia del Día del Ingeniero 2011 organizada por el CIME NL. 73 �Eventos y reconocimientos • Sergio Edelmiro Gutiérrez Peña, FIME-UANL, generación 1959. • José Luis Apodaca Villarreal, FIME-UANL, generación 1967. • Gerardo Hernández Lara, FIME-UANL, generación 1976. • Juan Ángel Garza Garza, FIME-UANL, generación 1977. • Pablo Manuel Fernández Garza, FIME-UANL, generación 1979. • Francisco Torrecillas Cervantes, ITD, generación 1972. • Eduardo Aniceto Auces López, FIC-UANL,generación 1969. • Paúl Pérez Vera, ESIME-IPN, generación1972. • José Ignacio Lujuán Figueroa, ITESM, generación 1974. • Ricardo Federico Paniagua Ceja, ITCM, generación 1980. • Luis López Pérez, CEU. En esta ocasión, entre otros, fueron reconocidos, de la FIME-UANL el Dr. José Luis Cavazos García y por la Facultad de Artes Visuales UANL, el M.A. José Luis Martínez Mendoza, diseñador fundador y actual diseñador de las portadas de la revista Ingenierías. III. NOMBRAN PROFESORES EMÉRITOS UANL En el marco de la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario celebrada el 8 de septiembre de 2011, la UANL entregó nombramientos de profesor emérito a distinguidos catedraticos en virtud de sus méritos y prestigio académico obtenido a lo largo de su carrera. IV. PREMIOS DE INVESTIGACIÓN UANL 2011 El 8 de septiembre de 2011, duranrte la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, se realizó la entrega de los Premios de Investigación UANL 2011 por parte del Rector, el Dr. Jesús Áncer Rodríguez. Los galardonados en las áreas afines a esta publicación fueron, en la categoría de Ciencias Exactas los trabajos: • “Efecto del Dopaje de Indio y Níquel en las propiedades texturales, estructurales y Catalíticas de polvos Nanométricos de Titania preparada por Sol-Gel”, desarrollado por la Dra. Leticia Myriam Torres Guerra y el M.C. Miguel A. Ruiz Gómez • “La Química verde como plataforma para el desarrollo de materiales y procesos sustentables”, realizado por el Dr. Eduardo Maximiano Sánchez Cervantes. y en el área de Ingeniería y Tecnología el trabajo: • “Uso de carboximetilcelulosa como matriz polémica en la síntesis de nuevos materiales híbridos”. desarrollado por el Dr. Martín Edgar Reyes Melo, el Dr. Virgilio González González y el M.C. Juan Francisco Luna Martínez. El Dr. José Luis Cavazos, catedrático de la FIME-UANL, recibiendo de manos del Rector de la UANL, Dr. Jesús Áncer Rodríguez, su nombramiento como profesor emérito de la UANL. Investigadores de la FIME-UANL galardonados con el Premio de Investigación UANL 2011 acompañados por el Director de la facultad, el M.C. Esteban Báez Villarreal. 74 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Junio - Agosto 2011 José Omar Villareal Ochoa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 1 de junio de 2011. Leonardo Gabriel Hernández Landa, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Optimización en tiempo real para sistemas de transporte colectivo”, 2 de junio de 2011. Bruno Rodrigo Fuentes López, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Diseño determinista de una red de logística inversa multiperiodo”, 2 de junio de 2011. Yadira Alondra de Santiago Badillo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Un problema bi-objetivo de ruteo de vehículos con ventanas de tiempo”, 3 de junio de 2011. Cristina Aurora Elizondo Martínez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Proceso de FDB de tapas de góndolas de tren”, 6 de junio de 2011. Ricardo Ruiz López, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 10 de junio de 2011. Rubén Navarro Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 13 de junio de 2011. César Adrián Ibarra Carrillo, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, “Sistemas de potencia fluida”, 16 de junio de 2011. * Información proporcionada por el M.C. José Alejandro Cázares Yeverino, titular del Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Martín Guadalupe Elizondo Garza, Maestría en Ingeniería con orientación en Ingeniería Eléctrica, (Examen por materias), 17 de junio de 2011. María Isabel Mendivil Palma, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis de nanopartículas de Ag y nanocristales de SH2O3 producidos mediante ablación con laser pulsado en un medio líquido (PUAM)”, 20 de junio de 2011. Diego Garay Correa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Examen por materias), 25 de junio de 2011. Ana Cecilia Sánchez Orozco, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 30 de junio de 2011. Baldomero Barrón Oyervidez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Uso del método de los centros de solución del problema de flujos de potencia”, 30 de junio de 2011. José Cirilo Garay Castillo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Efecto de la inserción de nanopartículas cristalinas en la tenacidad de la fractura del vidrio sodico-calcico”, 30 de junio de 2011. Alberto Hernández López, Maestría en Ingeniería, con especialidad en Mecánica, “Materiales aeronáuticos”, 4 de julio de 2011. María de los Ángeles Báez Olvera, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Una aplicación de la programación con restricciones probabilísticas para un problema de diseño de cadena de suministro con incertidumbre”, 8 de julio de 2011. 75 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Marina Estrada Ruiz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 8 de julio de 2011. Sergio Alejandro Leal Alanís, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización de aceros inoxidables y de estudio de su resistencia mecánica y conformabilidad”, 11 de julio de 2011. René Alberto González Sánchez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Distintivo M.” 11 de julio de 2011. Mario Moreno Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 14 de julio de 2011. Rosalinda Herrera Serrato, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 14 de julio de 2011. Hugo Guadalupe Ramírez Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable, “Convección natural de calor y masa en una cavidad cilíndrica con pared ondulada”, 15 de julio de 2011. Tadeo Adrián Tamez Pérez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 18 de julio de 2011. Gabriela Margarita Martínez Cázares, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Oxidación a alta temperatura de acero con silicio y cobre”, 18 de julio de 2011. Elvira Guadalupe García Ortiz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 18 de julio de 2011. Raúl Ernesto Ornelas Acosta, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Películas delgadas de Cu (In. Ah.) se (CIAS) por métodos no tóxicos para la aplicación en celdas solares”, 20 de julio de 2011. Samuel González Suárez, Maestría en Ingeniería, con orientación en Telecomunicaciones, “Implementación de las lecturas de mediciones vía internet”, 19 de julio de 2011. 76 Aarón Mendoza Cavazos, Maestría en Ingeniería, Telecomunicaciones, “Radios IPS a través de fibra óptica”, 19 de julio de 2011. Mario Alberto Granados Villarreal, Maestría en Ingeniería, con orientación en Telecomunicaciones, “Red SDH nacional de fibra óptica”, 19 de julio de 2011. Eduardo Vázquez Silva, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, “Diseño de arquitectura tecnológica base para nube de servicios privada”, 19 de julio de 2011. Blanca Leticia Álvarez Salazar, Maestría en Ingeniería con orientación en Ingeniería Eléctrica, (Examen por materias), 20 de julio de 2011. Claudia Marcela Cárdenas Estrada, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, “Plan de marketing exportación de cajera ¨CATA¨ a Brasil”, 21 de julio de 2011. Luis Alfonso Galicia Rubio, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, “Implementación del protocolo DNP3 para transmisión de datos en la red eléctrica”, 19 de julio de 2011. Juan Jaime Tadeo Rodríguez Martínez, Maestría en Ingeniería de la Información, Informática, (Examen por materias), 21 de julio de 2011. Dalia Rosalinda Garza Rodríguez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, “Telecontrol de subestaciones eléctricas por medio de tableros SISCOPROMM”, 22 de julio de 2011. María Isabel Escobedo Chávez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, “Unidad central maestra”, 22 de julio de 2011. Perla Jeanett Sandoval Campos, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, “Automatización de sistemas SICOSS y SCADA”, 22 de julio de 2011. José Arturo Salinas Chávez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización de aleaciones NiTi Y NiTiCu”, 22 de julio de 2011. Rodolfo Morales Ibarra, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 22 de julio de 2011. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Maribel Martínez Farfán, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 22 de julio de 2011. Dana Daniela Aguirre Morales, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio del crecimiento subcrítico de grietas en papel: Análisis estadístico y correlación por emisión acústica”, 22 de julio de 2011. Israel Portales Flores, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, “Análisis de oportunidad de mejoras en planta metal mecánica”, 22 de julio de 2011. Rubén Suárez Escalona, Maestría en Ingeniería, con orientación en Inteligencia Artificial, (Examen por materias), 25 de julio de 2011. Yadira Aidé Salinas Martínez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 26 de julio de 2011. Cutberto Daniel Conejo Rosas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Control Robusto H-Infinito de sensibilidad mezclada aplicado a sistemas lineales invariantes en el tiempo subactuados”, 26 de julio de 2011. Grisel García Guillén, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio del proceso de hidratación de pastas de cemento portland reemplazadas con escoria granulada de alto horno, ceniza volante y metacaolín, utilizando dos activos superplastificantes”, 28 de julio de 2011. Alma Cristina Tovar Luna, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Localización de fallas en sistemas muestreados”, 29 de julio de 2011. Ricardo Garza Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 4 de agosto de 2011. Miguel Ángel Jacobo Cambray, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Evaluación de la condición de salud del transformador mediante Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 análisis de vibraciones usando la transformada HILBERT-HUANG”, 10 de agosto de 2011. Martín Javier Martínez Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Análisis e investigación para llevar a cabo la manufactura de lámparas con tecnología ¨LED¨S de alta eficiencia y ahorro de energía”, 9 de agosto de 2011. José Bristain Alvarado, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, “Análisis de la industria a la que pertenece la unidad estratégica de negocios”, 10 de agosto de 2011. Francisco Javier González Guerra, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 15 de agosto de 2011. Rubén Guadalupe Domínguez Gracia, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 15 de agosto de 2011. José Lorenzo de la Garza Rubio, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 16 de agosto de 2011. César Mario Jacobo Rivera , Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 19 de agosto de 2011. Reynaldo Ruiz Pedraza, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 22 de agosto de 2011. Jaime Hernández Sánchez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 24 de agosto de 2011. David Román Flores Báez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 24 de agosto de 2011. César Héctor García Cano, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 29 de agosto de 2011. Ricardo Alejo Sanabria Ruiz, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 29 de agosto de 2011. Iván Alvarado Bravo, Maestría en Ingeniería, con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura, (Examen por materias), 31 de agosto del 2011. 77 �Acuse de recibo AIR TRADE ACerS BULLETIN Air Trade: Revista de Aviación es una publicación bimestral dirigida principalmente al mercado mexicano, que busca, mediante artículos cortos y descriptivos, el mantener actualizados tanto técnica como comercialmente a las personas que trabajan en o gustan de la aviación. La revista está estructurada por las secciones: noticias nacionales, noticias internacionales, reportaje aeronáutico, avances tecnológicos, aviación histórica, y técnicas de vuelo. Las secciones que ocupan la mayor parte de la revista son las de noticias, que dan una visión de lo que ocurre en las grandes empresas y organizaciones aeroespaciales. Como ejemplo del contenido, en el No. 10 del Año II, se abordan temas como: la creación de la agencia Espacial Mexicana, pruebas a diferentes modelos recientes de aviones y helicópteros, aviones no tripulados israelíes para defensa/seguridad, la amenaza que representa la ceniza volcánica a los aviones, etc. También con motivo del 100 aniversario de la aviación mexicana se presentan artículos históricos. Para mayor información sobre esta revista puede consultarse su página en Internet en la dirección: http://www.airtrademexico.com/ . (FJEG) ACerS Bulletin es una publicación de la American Ceramics Society (ACS) con circulación mensual (excepto Febrero, Julio y Noviembre) y con ISSN No. 0002-7812, que cubre los aspectos, novedades y actividades relacionadas a la ACS. Así mismo, abarca temas asociados a la ciencia, ingeniería, tecnología y manufactura de los materiales cerámicos. Con un estilo divulgativo y de manera breve, el contenido de esta revista trata de mantener actualizados e informados a investigadores, profesionistas y estudiantes relacionados con las actividades en esta área. En el número 5, Vol. 90 de Junio-Julio 2011, destacan artículos interesantes, por ejemplo: perspectivas generadas alrededor del desempeño de estudiantes, cómo influye su formación académica y su contribución a la ciencia e ingeniería de los materiales, cerámicos aplicados a la sustentabilidad, desarrollo de nanomateriales, aplicaciones en energías verdes, entre otros. Para mayor información, puede consultar la versión electrónica disponible en el sitio: http://www.ceramicbulletin.org. 78 (JGPC) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Colaboradores Colás Ortiz, Rafael Ingeniero Metalurgista por la Universidad Autónoma Metropolitana. Maestro (1980) y Doctor (1984) en Metalurgia por la Universidad de Sheffield, Inglaterra. Es Profesor Investigador en la FIME-UANL y Director del Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo Tecnológico en Ingeniería y Tecnología de la UANL. Ha recibido el premio TECNOS’ en 1994, 1996, 1998 y 2000. Es miembro de las Academias de Ingeniería y Mexicana de Ciencias, Fellow de la ASM Internacional y SNI Nivel 3. De León Morales, Jesús Licenciado en Ciencias Físico-Matemáticas (1981) por la FCFM-UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería en el CINVESTAV (1987) y Doctorado en Ciencias (1992) por la Universidad Claude Bernard, Lyon I, Francia. Desde 1993 es Profesor Investigador del Programa Doctoral en Ingeniería Eléctrica de la FIME, y desde 2008 en el CIIDIT, UANL. Ha obtenido varios Premios de Investigación UANL, incluido el de 2009. Miembro del SNI, nivel II. Miembro de la Academia Mexicana de las Ciencias. García Méndez, Manuel Licenciado en Física por la FCFM-UANL. Maestría y Doctorado en Física de Materiales, programa conjunto CICESE-UNAM, Ensenada, México. Estancia Posdoctoral en la Universidad de Manchester, Inglaterra. Profesor Investigador de la FCFM desde el 2001. Premio de Investigación 2002 en el área de Ciencias Exactas. Miembro del SNI, nivel I. González Fonseca, Nicolás Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones por la UANL (2002), mención honorífica). M.C. en Control Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Automático (2005) por la UANL. Desde 2009 estudiante de doctorado en control automático. González González, Virgilio A. Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la FCQ-UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL. Ha sido investigador en el campo de los polímeros desde 1975. Es miembro del SIN nivel II. Es profesor de tiempo completo de la FIME-UANL desde 1988. Lizcano Zulaica, Carlos Javier Doctor en Ingeniería de los Materiales por la FIMEUANL. Trabajó durante 30 años en la compañía HYLSA SA de CV y ocupó el cargo de consultor y asesor en el área de Investigación y Desarrollo de Acerías. Actualmente es profesor investigador en la FIME-UANL. Tiene publicados más de 50 artículos técnicos y ha participado en la dirección de más de 20 tesis de licenciatura, maestría y doctorado. López Cuéllar, Enrique Manuel Ingeniero Mecánico Eléctrico por la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (1998). Doctor en Ciencia de Materiales (2004) en el INSA de Lyon, Francia. Catedrático Investigador de la FIME y el CIIDIT de la UANL. SNI Nivel 1. Obtuvo el Premio de Investigación de la UANL en 2010. López Walle, Beatriz Cristina Ingeniera Mecánica -opción Mecatrónica- (2003) por la UNAM. Doctora en Microrobótica (2008) en la Université de France-Comté, en Besançon, Francia. Catedrático Investigador de la FIME y el CIIDIT de la UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel Candidato. 79 �Colaboradores Luna Martínez, Juan Francisco Ingeniero Mecánico Electricista (2000) por la FIME-UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2007) por la FIME-UANL. Actualmente es candidato a Doctor en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Martínez Luna, Gilberto Lorenzo Estudió en la Escuela Superior de Física y Matemáticas (ESFM) del IPN. Maestría en el Centro de Investigación y Estudios Avanzados (Cinvestav) y Doctorado en Computación por el Centro de Investigación en Computación (CIC), ambos del IPN. Desde 1987 ha impartido cursos en licenciatura, maestría y doctorado en diversas escuelas y universidades. Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias (1990) en la UANL. M.C. de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2000). Doctor en Ciencia de Materiales (2004) en la Université Paul Sabatier, en Toulouse, Francia. Catedrático Investigador de la FIME y el CIIDIT de la UANL. SNI Nivel 1. Premio a la Mejor Tesis de Maestría UANL en 1999. Ha obtenido cuatro Premios de Investigación UANL en 1999, 2004, 2009 y 2011. Ruiz Gómez, Miguel Ángel Licenciado en Química Industrial y Maestro en Ciencias con Especialidad en Ingeniería Ambiental, 80 ambas por la UANL. Es profesor a nivel preparatoria y licenciatura en la UANL. Ha recibido reconocimientos como estudiante y profesor por la UANL. Torres Martínez, Leticia M. Licenciada en Química Industrial por la UANL. Doctora en Química de Materiales Cerámicos Avanzados en la Universidad de Aberdeen, Escocia. Actualmente es Directora Adjunta de Desarrollo Científico en el CONACYT. SNI Nivel III. Ha recibido más de 50 premios y distinciones a nivel nacional e internacional. Ha ganado en 16 ocasiones el Premio de Investigación UANL, en la modalidad de Ciencias Exactas e Ingeniería y Tecnología. Valdez Nava, Zarel Ingeniero Mecánico Metalúrgico, UANL. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, UANL. Doctorado en Ingeniería en Materiales, otorgado en cotutela, UANL-Université Paul Sabatier. Investigador del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, Francia) desde 2008. Villarreal Vera, Oscar Francisco Ingeniero Mecánico Metalúrgicoy Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Obtuvo el Premio Nacional de Tecnología y Ciencia de la CANACERO, 2010/2011. Es el responsable del área de Ingeniería de Servicio de las plantas de Zincacero y Cintacero del Grupo Villacero. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes y convocatorias. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Se aceptarán trabajos en inglés solamente de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES En el caso de los trabajos de revisión o divulgación el autor debe demostrar que ha trabajado y publicado en el tema del artículo, debe ofrecer una panorámica clara del campo temático, debe separar las dimensiones del tema y evitar romper la línea de tiempo y considerar la experiencia nacional y local, si la hubiera. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben contener la presentación de resultados de medición acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamentre dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 81 �26 al 29 de octubre de 2011 Publicación trimestral arbitrada de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionistas, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. La opinión expresada en los artículos firmados es responsabilidad del autor. No se responde por originales y colaboraciones no solicitadas. Se autoriza la reproducción total o parcial de los artículos siempre y cuando se solicite formalmente, se cite la fuente y no sea con fines de lucro. La correspondencia deberá dirigirse a: Revista Ingenierías, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL, A.P. 076 “F”, Ciudad Universitaria, C.P. 66450, San Nicolás, N.L., México. Tel: (52) (81) 8329-4020 Ext. 5854. Fax: (52) (81) 8332-0904 Correo electrónico: revistaingenierias@gmail.com , fjelizon@mail.uanl.mx , juan.aguilargb@uanl.edu.mx Página en Internet: http://ingenierias.uanl.mx Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. ISSN: 1405-0676 82 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 83 �CALIMET CALIMET SA SA de de CV CV LABORATORIO ACREDITADO ISO/IEC 17025 SERVICIOS: ANÁLISIS QUÍMICOS Espectrometría de chispa en materiales matriz fierro, aluminio y cobre Absorción atómica Determinador de Carbono y Azufre CS 230 Materiales ferrosos y no ferrosos Análisis vía húmeda Grafito, cales, ferroaleaciones Combustión Determinación de %C y %S Granulometría PRUEBAS MECÁNICAS Y FÍSICAS Ensayo de Impacto Charpy hasta -80° C Tensión y compresión Dureza Rockwell (Todas las escalas) Dureza Brinell Ensayos de impacto charpy ANÁLISIS NO DESTRUCTIVOS Ultrasonido Líquidos penetrantes Medición de espesores Partículas magnéticas Radiografía industrial (subcontratada) Durómetro Rockwell nueva generación Ultrasonido detector de fallas ANÁLISIS DE FALLA Caracterización microestructural con microscopio Carl Zeiss y analizador de imagen Metalografía de Campo Experiencia, Calidad y Servicio... Equipos verificados y calibrados de acuerdo a la Norma NMX-EC-17025-IMNC-2006. Informes de calibración y trazabilidad al CENAM y NIST. Av. Las Puentes, No. 1002-A, entre Montes de Transilvania y Av. Santo Domingo Col. Las Puentes 4to. Sector, San Nicolás de los Garza, N.L., C.P. 66460 Tels: 8353-1745, 8302-04-86, 8057-30-76, 1367-03-39, 8350-92-89, Tel/Fax: 1367-03-40 Pág. Web www.calimet.com.mx E-mail: calimet1@prodigy.net.mx, servicioalcliente@calimet.com.mx 84 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2011 Volumen Volumen de la revista 14 Número Número de la revista 53 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2011, Vol 14, No 53, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2011 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020816 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores CMC Materiales híbridos Radioactividad Superparamagnético Teleoperación https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20775/Ingenierias_2011_Vol_14_No_53_Octubre-Diciembre.pdf 560089270e4039b2504828504baddc7e PDF Text Text �Contenido Octubre-Diciembre de 2011, Vol. XIV, No. 53 53 2 Directorio 3 Editorial La formación científica del estudiante universitario Zarel Valdez Nava 6 Materiales híbridos magnéticos Martín Edgar Reyes Melo, Virgilio Ángel González González, Juan Francisco Luna Martínez 13 La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia Manuel García Méndez 23 Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 dopado con indio y níquel Leticia M. Torres Martínez, Miguel A. Ruiz Gómez 35 Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos Beatriz López Walle, Martín Edgar Reyes Melo, Enrique López Cuéllar 44 Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto Oscar Francisco Villarreal Vera, Carlos J. Lizcano Zulaica, Rafael Colás Ortiz 55 Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar Gilberto Lorenzo Martínez Luna 64 Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos Nicolás González Fonseca, Jesús De León Morales 73 Eventos y reconocimientos 75 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 78 Acuse de recibo 79 Colaboradores 81 Información para colaboradores Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 1 �DIRECTORIO CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Liviu Sevastian BocÎI DIRECTOR M.C. Fernando J. Elizondo Garza FIME-UANL Rumanía. U. “Aurel Vlaicu”, Arad. Dr. Mauricio Cabrera Ríos Puerto Rico. UPRM Dr. Juan Jorge Martínez Vega Francia. Universidad de Toulouse III Dr. José Evaristo Ruzzante Argentina. CNEA. Dr. Samir Nagi Yousri Gerges Brasil. UFSC, Florianopolis. Dra. Karen Lozano FIME-UANL TIPOGRAFÍA Y FORMACIÓN Gregoria Torres Garay Jesús G. Puente Córdova COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García TRADUCTORES CIENTÍFICOS Lic. José de Jesús Luna Gutiérrez Dra. Martha A. Fabela Cárdenas EDITOR Dr. Juan Antonio Aguilar Garib FIME-UANL Dr. Rafael Colás Ortiz INDIZACIÓN Dr. Cesar Guerra Torres L.Q.I. Sergio A. Obregón Alfaro FIME-UANL USA. UT-Panam Dr. Juan Miguel Sánchez USA. UT-Austin REDACCIÓN Lic. Julio César Méndez Cavazos Dr. Jesús De León Morales FIME-UANL Dr. Virgilio A. González González CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Óscar L. Chacón Mondragón FIME-UANL Dr. Moisés Hinojosa Rivera FIME-UANL Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar FIME-UANL Dra. Oxana Vasilievna Karisova FCFM-UANL FIME-UANL Dr. Azael Martínez De la Cruz Dr. Benjamín Limón Rodríguez FIME-UANL FIC-UANL Dr. Enrique López Cuellar Dr. José Rubén Morones Ibarra FIME-UANL FCFM-UANL Dr. Martín Edgar Reyes Melo Dr. Ubaldo Ortiz Méndez FIME-UANL FIME-UANL Dr. Miguel Ángel Palomo González FCQ-UANL M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo FFYL-UANL Dr. Ernesto Vázquez Martínez Dr. Roger Z. Ríos Mercado FIME-UANL Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan FIME-UANL DISEÑO M.A. José Luis Martínez Mendoza FOTOGRAFíA M.C. Jesús E. Escamilla Isla WEBMASTER Ing. Dagoberto Salas Zendejo IMPRESOR M.C. Mario A. Martínez Romo René de la Fuente Franco Dr. Félix Sánchez De Jesús ICBI-UAEH FIME-UANL Dr. Jesús González Hernández CIMAV UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector / Dr. Jesús Áncer Rodríguez Secretario General / M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado / Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura / Lic. Rogelio Villarreal E. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Director / M.C. Esteban Báez Villarreal Sub-Director de Estudios de Posgrado / Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Académico / M.C. Arnulfo Treviño Cubero Sub-Director Administrativo / M.C. Felipe de J. Díaz Morales Sub-Director de Desarrollo Estudiantil / M.C. Hugo E. Rivas Lozano Sub-Director de Vinculación y Relaciones / M.C. Jaime G. Castillo Elizondo Sub-Director de Desarrollo Institucional y Humano / Dr. Arturo Torres Bugdud 2 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Editorial: La formación científica del estudiante universitario Zarel Valdez Nava Université de Toulouse, Francia, UPS, INPT, LAPLACE (Laboratoire Plasma et conversion d´Energie) 118 route de Narbonne, F-31062 Toulouse cedex 9, Francia. CNRS; LAPLACE; F-31062 Toulouse, Francia En el discurso de inauguración de la Universidad Nacional, que años más tarde se transformaría en la Universidad Nacional Autónoma de México, Justo Sierra dejó muy claro que la universidad debe ser una creadora de ciencia: La acción educadora de la Universidad resultará entonces de su acción científica; haciendo venir a ella grupos selectos de la intelectualidad mexicana y cultivando intensamente en ellos el amor puro de la verdad, el tesón de la labor cotidiana para encontrarla, la persuasión de que el interés de la ciencia y el interés de la patria deben sumarse en el alma de todo estudiante mexicano... (Sierra, 1910). Es decir, los universitarios deben tener como vocación la ciencia y ser capaces de generar conocimiento nuevo a partir de sus propias experiencias y observaciones. De acuerdo con el ideal de Justo Sierra, la universidad debe hacer que todos los que ingresan a ella adquieran una vocación científica y se formen como investigadores. Desde entonces, no ha dejado de haber discusiones sobre el papel de las universidades en la sociedad, y especialmente en los últimos años vuelve esta noción del apoyo de la ciencia como un elemento indispensable para el bienestar y progreso de una nación. Esto confirma que el pronunciamiento hecho por Justo Sierra, hace ya cien años, continua vigente. Actualmente la universidad en México enfatiza, en general, la transmisión de conocimientos, especialmente en los programas de licenciatura. En esos programas, a pesar del ensayo de diferentes modelos, el proceso de enseñanzaaprendizaje consiste en la transferencia de información del maestro al alumno. El maestro se dedica a proporcionar la información mientras el alumno la memoriza. Los programas se diseñan de tal forma que facilitan la organización de los cursos en unidades o bloques de información, lo que promueve que los maestros se conviertan simplemente en instructores que repiten la información de manera pasiva e inerte. Se da entonces el caso en que la información que aprenden los alumnos no tiene relación efectiva con los fenómenos o el entorno social ni con una formación científica. Además, el sistema de evaluación de la licenciatura induce al estudiante a dedicarse a obtener calificaciones, en vez de preocuparse por su formación. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 3 �La formación científica del estudiante universitario / Zarel Valdez Nava Dentro del esquema de la universidad actual, la formación científica se encuentra reservada al posgrado, específicamente al doctorado. De esta manera, tenemos en un extremo la licenciatura, donde se enfatiza la instrucción; mientras que en el otro extremo se encuentra el doctorado, donde se enfatiza la formación científica. En el doctorado, el tutor cumple un papel preponderante en la formación, ya que acompaña al alumno a lo largo de varios años para asesorarlo y guiarlo en las múltiples etapas de su formación científica. El tutor va lanzando retos al estudiante, cada vez más importantes, desde pequeñas preguntas, hasta objetivos a largo plazo que involucran la adquisición de nuevas herramientas teóricas y metodológicas. La ciencia consiste en la generación de conocimiento nuevo a través del análisis y la síntesis del problema de investigación, no es conocimiento acumulado de manera enciclopédica. Para hacer ciencia, se requiere generar hipótesis sobre los fenómenos, después probarlas y finalmente divulgar la experiencia que permita su aprovechamiento, y para esto no existe un método único. La información puesta a nuestra disposición durante el proceso de instrucción no genera conocimiento. El conocimiento de las teorías y los datos no nos permiten en si mismos cumplir con el objetivo de la ciencia: ver algo que nadie más haya visto, ni generar conocimiento nuevo. De acuerdo con el ideal de Justo Sierra, la universidad, en todos sus niveles, debe promover la vocación científica. Entonces, ¿cómo fomentar la formación de universitarios capaces de hacer ciencia desde la licenciatura? Para promover la formación científica en la licenciatura, es necesario utilizar el modelo que ya se implementa en los programas de doctorado, se requiere la guía de un tutor que no se limita a aconsejar al alumno; el tutor es un ejemplo, un modelo, alguien para quien la ciencia es una pasión, alguien cuyo contacto cotidiano con las fronteras del conocimiento, lo hace capaz de asesorar y tomar bajo sus alas a los alumnos, quienes como él, seguirán proponiendo nuevas maneras de generar conocimiento nuevo. En la licenciatura también hay tutores que pueden contribuir, directa o indirectamente, a la formación científica del alumno. La tutoría directa ocurre cuando los alumnos participan como asistentes de investigación, lo que les permite observar la forma en que los investigadores y los alumnos de posgrado van resolviendo los problemas científicos. Esta experiencia les permite ponerse en contacto con los fenómenos, las teorías, las preguntas de investigación, las hipótesis y los métodos de la ciencia. Esta tutoría directa frecuentemente se concretiza con la realización de una tesis de licenciatura, que lleva al alumno a enfrentarse por primera vez, por si mismo, a una pregunta científica. El maestro universitario puede actuar como tutor de manera indirecta, a través de sus clases. No mediante la transmisión de teorías y datos inertes, sino mediante el análisis y la discusión de los fenómenos, las teorías y los métodos vinculados a la generación de conocimiento. El maestro funge como tutor cuando relata su experiencia directa, la forma en que ha llevado a cabo una investigación, las preguntas que han guiado sus proyectos científicos. Sigue fungiendo como tutor cuando discute la forma en que otros han resuelto algún problema de investigación, aparentemente bloqueados por un obstáculo 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �La formación científica del estudiante universitario / Zarel Valdez Nava infranqueable. A través del ejemplo, el tutor pone al alumno en contacto con las herramientas y las estrategias científicas que le permitirán enfrentar los problemas que encontrará en su vida profesional. La universidad debe cumplir su papel como creadora de ciencia, formando universitarios capaces de enfrentar problemas científicos en todos sus niveles, desde la licenciatura hasta el doctorado. Para lograr esto se requiere que los maestros tengan la capacidad de proporcionar elementos de formación que los transforme en tutores capaces de convertir a los estudiantes universitarios en científicos. BIBLIOGRAFÍA • Sierra, Justo (1910), “Discurso pronunciado por el señor licenciado don Justo Sierra, ministro de Instrucción Pública y Bellas Artes, en la inauguración de la Universidad Nacional”, en Alfonso Pruneda, La Universidad Nacional de México 1910, México, Secretaría de Instrucción Pública y Bellas Artes [2ª edición facsimilar, México, UNAM, Dirección General de Publicaciones, 1990]. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 5 �Materiales híbridos magnéticos Martín Edgar Reyes MeloA,B, Virgilio Ángel González GonzálezA,B, Juan Francisco Luna MartínezA Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales. FIME-UANL CIIDIT, FIME-UANL mreyes@gama.fime.uanl.mx A B RESUMEN En este artículo, se reportan la síntesis y caracterización de materiales híbridos magnéticos constituidos de nanopartículas de Ni o Co elementales dispersas de manera homogénea en una matriz polimérica de Na-CMC. Los resultados experimentales obtenidos mediante TEM, DRX y FTIR corroboran esta dispersión homogénea. Estos dos materiales híbridos (Co-CMC y NiCMC) fueron evaluados en cuanto a sus propiedades magnéticas mediante magnetometría de muestra vibrante. En ambos casos los resultados obtenidos muestran que las nanopartículas embebidas en la CMC tienen un comportamiento superparamagnético. PALABRAS CLAVE Materiales híbridos, superparamagnético, CMC. ABSTRACT The synthesis and characterization of hybrid magnetic materials composed of Ni or Co nanoparticles embedded in a polymeric matrix of Na-CMC are reported in this paper. Experimental results obtained by TEM, DRX and FTIR, results corroborate an homogeneous dispersion of iron oxide nanoparticles into CMC matrix. For two hybrid materials: Co-CMC and Ni-CMC, the magnetic behavior was determined by a vibrating sample magnetometer and the results obtained shown a super-paramagnetic behavior. KEYWORDS Hybrid materials, super-paramagnetic behavior, CMC. INTRODUCCIÓN El carácter polifuncional de los materiales híbridos hace de ellos una alternativa importante en el desarrollo de novedosos dispositivos en diversas áreas de la ingeniería.1-8 Desde el punto de vista de su estructura y morfología, un material híbrido es una fase o varias fases dispersas en una matriz, que por lo general es de tipo orgánico (polimérica). Hoy en día, la síntesis de nuevos materiales híbridos ha cobrado demasiada importancia debido al desarrollo de técnicas experimentales mediante las cuales dos componentes inherentemente incompatibles (por ejemplo, polímeros orgánicos y óxidos inorgánicos) se hacen compatibles por pre-mezcla de ambos a escala molecular antes de su conversión en 6 Artículo basado en el proyecto “Uso de carboximetilcelulosa como matriz polimérica en la síntesis de nuevos materiales híbridos”, el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2011, en la categoría de Ingeniería y Tecnología, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 8 de septiembre de 2011. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Materiales híbridos magnéticos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. un nuevo material híbrido.9-15 Esto permite el diseño y la síntesis de materiales híbridos avanzados con propiedades fisicoquímicas muy específicas. Bajo este contexto, además de sus aplicaciones en el área de la electrónica orgánica, la síntesis de materiales híbridos con matrices poliméricas compatibles o afines a sistemas biológicos (como es el caso de la carboximetilcelulosa), es un área que ha despertado el interés de muchos grupos de investigadores en el mundo, debido a las aplicaciones de tipo biológico o quirúrgico que pueden llegar a tener este tipo de materiales.16-19 Aunado a esto, el desarrollo de nanopartículas metálicas como por ejemplo de Fe2O3, Co o Ni, requieren para su estabilización, de un material que evite que éstas se reagrupen formando aglomerados, siendo las matrices poliméricas materiales candidatos idóneos para llevar a cabo estas funciones de estabilización. Razón por la cual, el desarrollo de materiales híbridos magnéticos utilizando como matriz polimérica biocompatible a la Na-CMC, resulta de gran interés tanto científico como tecnológico. El objetivo de este trabajo de investigación es la síntesis de materiales híbridos magnéticos a base de una matriz polimérica de carboximetilcelulosa (Na-CMC) con fases dispersas de óxido de hierro, o bien con cobalto o níquel elemental. Es importante remarcar que estas fases dispersas deberán ser obtenidas por un método in-situ en la matriz de la Na-CMC. Las muestras obtenidas en cada proceso de síntesis serán caracterizadas mediante espectroscopía de infrarrojo (FTIR), difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión y magnetometría de muestra vibrante. Por motivos de espacio, solamente se presentarán y discutirán en este artículo los resultados concernientes a la síntesis de nanopartículas de Co y Ni embebidas en la matriz polimérica de Na-CMC. ASPECTOS GENERALES DE LOS MATERIALES HÍBRIDOS Una de las principales metas que tiene la ciencia en lo referente al desarrollo de nuevos materiales, es la síntesis de materiales polifuncionales. Lo anterior como consecuencia de que los materiales convencionales (metales, cerámicos y polímeros) no pueden cumplir con las exigencias que demanda el Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 desarrollo de nuevas tecnologías, las cuales buscan resolver una gran diversidad de problemáticas. La búsqueda de nuevos materiales polifuncionales ha llevado al perfeccionamiento de los procesos de síntesis para la obtención de nuevos materiales híbridos. Estos procesos de síntesis se fundamentan en combinar dos o más sustancias con la finalidad de obtener nuevas propiedades. Entre los ejemplos más comunes tenemos a los materiales poliméricos que han sido reforzados con fibras inorgánicas, esto con la finalidad de mejorar sus propiedades mecánicas. Este tipo de materiales tienen una gran aplicación hoy en día principalmente en la construcción de vehículos ligeros y utensilios para deportes.10,11 Para estos polímeros reforzados, por lo general las fibras inorgánicas son de un tamaño promedio que puede llegar a ser del orden de los micrómetros, por lo que en la mayoría de los casos el material resultante se observa a la resolución del ojo humano como un material heterogéneo. La disminución del tamaño característico de las fibras inorgánicas dispersas en el material polimérico, se traduce en un mejor reforzamiento de sus propiedades mecánicas, esto se refleja a nivel macroscópico en la obtención de un material más homogéneo, aspecto importante en el proceso de síntesis de materiales híbridos. Aunado al reforzamiento de propiedades mecánicas, las propiedades eléctricas y/o magnéticas que presentan los materiales híbridos también pueden llegar a ser importantes, y por lo tanto tomarlas en cuenta como aplicaciones adicionales al reforzamiento mecánico de la matriz polimérica, en nuestro caso de la NaCMC. LA Na-CMC La Na-CMC es un material polimérico semisintético que se produce por modificación química de la celulosa (un polímero natural). En el proceso de síntesis, se busca introducir en las unidades repetitivas de la celulosa, grupos químicos de “carboximetil de sodio” (CH 2COONa), los cuales le darán al producto obtenido cierto grado de solubilidad en agua, propiedad que no presenta la celulosa.20-28 Un aspecto muy importante, que define a las propiedades funcionales de la Na-CMC, es el Grado de Sustitución o DS. La magnitud del DS es 7 �Materiales híbridos magnéticos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. función del número promedio de grupos hidróxilo sustituidos por grupos de CH2COONa en una unidad de anhidroglucosa (ver figura 1). Cada unidad de anhidroglucosa en la celulosa tiene 3 grupos hidróxilos disponibles para un DS máximo de 3. Por ejemplo, en una Na-CMC con un DS de 1.5, significa que en promedio el 50% de los grupos hidróxilos son esterificados con el CH2COONa, y el 50% promedio restante de cada unidad anhidroglucosa, quedan libres. La figura 1 muestra un esquema de la estructura de la Na-CMC. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para la síntesis de los materiales híbridos precursores se mezclaron soluciones acuosas de Ni(NO3)2 y de Na-CMC; y por otra parte se mezclan soluciones acuosas de CoCl2 y de Na-CMC. Una vez obtenidas estas dos soluciones acuosas, la eliminación del solvente mediante evaporación nos permitió obtener películas delgadas, en la que presumiblemente los iones de Ni+2 y por otro lado los iones de Co+2 se encuentran unidos a los grupos carboximetil de la CMC. Estas películas delgadas son nuestros materiales precursores. La figura 2a muestra el material híbrido precursor para el NiCMC, y la 2b corresponde al material precursor para el Co-CMC. Fig. 1. Estructura química de un segmento de una macromolécula de Na-CMC. MATERIALES Y MÉTODOS La matriz polimérica Na-CMC utilizada en este trabajo fue proporcionada por Aldrich y tiene un DS=0.7. Por otra parte, se utilizó una sal precursora para el Ni (Ni(NO3)2) y otra sal precursora para el Co (CoCl2), como materiales de base para la síntesis de las nanopartículas magnéticas que deberán estar dispersas de manera homogénea en la Na-CMC. Para la obtención de estos materiales híbridos magnéticos: Co-CMC y Ni-CMC, el proceso de síntesis se llevó a cabo en dos etapas. En la primera, el objetivo principal es que las sales precursoras (Ni(NO3)2 y CoCl2) por separado se mezclen o se combinen de manera íntima con la Na-CMC, esto con la finalidad de obtener 2 materiales precursores. En la segunda etapa, los materiales precursores (en forma de película delgada) se someten a un tratamiento químico con un agente reductor (hidracina) para la obtención de Co-CMC y Ni-CMC, los cuales tienen propiedades magnéticas. Muestras tanto para la primera, como para la segunda etapa del proceso de síntesis, fueron caracterizadas mediante TEM, DRX, FT-IR y magnetometría de muestra vibrante. A continuación se muestran y discuten los resultados obtenidos. 8 Fig. 2. Materiales precursores a) para el Ni-CMC y b) para el Co-CMC. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Materiales híbridos magnéticos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. La figura 3 muestra los patrones de difracción de rayos X obtenidos para las muestras de Na-CMC (figura 3a), para el material precursor del Co-CMC (figura 3b), y para la sal precursora CoCl2 (figura 3c). material precursor mostrado en la figura 2b, se determinaron para cada muestra los diferentes modos de vibración que tienen los grupos funcionales tanto para las muestras del material precursor, como para muestras de Na-CMC, utilizando para tal efecto la técnica de espectroscopía de infrarrojo. La comparación de los espectros IR obtenidos para ambas muestras se presentan en la figuras 5 y 6. Fig. 3. Patrones de difracción de rayos-X de las muestras de: (a) carboximetilcelulosa o Na-CMC, (b) material precursor mostrado en la figura 2a, (c) la sal precursora CoCl2. Los resultados sugieren que la sal precursora (CoCl2) se disolvió completamente en el material precursor. Por otra parte en la figura 4 se muestran los correspondientes patrones de difracción obtenidos para el material precursor del Ni-CMC. Al igual que para el material precursor anterior, los resultados sugieren en este caso que la sal precursora Ni(NO3)2 se disolvió por completo en la matriz polimérica de CMC. Fig. 4. Patrones de difracción de rayos-X de las muestras de: (a) carboximetilcelulosa o Na-CMC, (b) material precursor de la figura 2b, (c) la sal precursora Ni(NO3)2. Con la finalidad de corroborar cómo interaccionan los iones de Ni+2 con la CMC en el material precursor mostrado en la figura 2a; y la manera en como interaccionan los iones Co+2 con la CMC en el Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Fig. 5. Espectros de infrarrojo de las muestras de: (a) Na-CMC y del (b) material precursor del material híbrido Co-CMC. En la figura 5a se muestra el espectro IR para la Na-CMC, en el cual se pueden apreciar la banda característica del grupo –OH a 3500cm-1, además los estiramientos de las bandas C-H a 2925cm-1 así como también el estiramiento de la banda asimétrica del grupo éter a 1058 cm-1 y de las bandas asociadas a los grupos carboximetil a 1600 y 1417 cm-1. La figura 5b corresponde al espectro IR del material precursor Co-CMC, en este caso la banda asociada al grupo carboximetil tiene un corrimiento hacia altos números de onda, alrededor de 1637 cm-1. Este corrimiento está relacionado con las interacciones que se presentan entre el ion de Co+2 y el grupo funcional carboximetil de la CMC. Por otra parte las figuras 6a y 6b corresponden a los espectros IR para la CMC y para el material precursor del Ni-CMC respectivamente. La figura 6b muestra un ligero corrimiento de la banda asociada a los grupos carboximetil a la región de altos números de onda, alrededor de 1610 cm-1 y que está relacionado con las interacciones entre el ion de Ni+2 y la del grupo funcional carboximetil de la CMC, es importante mencionar la aparición de una nueva banda en el espectro del material compuesto 9 �Materiales híbridos magnéticos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. Fig. 6. Espectros de infrarrojo de las muestras de: (a) Na-CMC y del (b) material precursor del material híbrido Ni-CMC. que corresponde a la banda de estiramiento N-O, las cuales coinciden con el modo de vibración de flexión para el carboximetil de la CMC aproximadamente a 1384 cm-1. Posterior a esto, los materiales precursores fueron sometidos a un tratamiento químico con un agente reductor (hidracina), con la finalidad de obtener en cada caso nanopartículas elementales de Co y de Ni dispersas en la matriz polimérica de CMC. La figura 7 muestra una imagen obtenida mediante TEM de las nanopartículas de Ni producidas en la matriz de CMC después del tratamiento químico con hidracina. Mediante magnetometría de muestra vibrante se analizó el material híbrido mostrado en la figura 7, la figura 8 muestra los resultados obtenidos. Fig. 7. Imagen obtenida mediante TEM del material híbrido Ni-CMC. 10 Fig. 8. Curva de magnetización contra campo aplicado del material híbrido Ni-CMC. En la figura 8 se muestra una curva de magnetización contra campo aplicado, realizado a temperatura ambiente (300K), donde se puede observar la magnetización de saturación (Ms) con un valor de 1.49 emu/g, también se observa que la curva carece de una magnetización remanente (Mr) y de un campo coercitivo (Hc), esto es característico de un material magnético con un comportamiento superparamagnético. Este comportamiento se debe a que las nanopartículas de Ni dispersas en la matriz polimérica son del tamaño de 2.6 nm, este tamaño es mucho menor al diámetro critico reportado para las nanopartículas de níquel de un solo dominio, de esta manera las nanopartículas de níquel que están dispersas dentro de la matriz polimérica de la CMC son susceptibles a fluctuaciones del tipo térmico. Por otra parte, los resultados obtenidos para el material híbrido magnético Co-CMC, se muestran en la figuras 9 y 10. La figura 9 muestra una imagen obtenida mediante TEM del material híbrido Co-CMC. En la figura 10 se muestran los resultados obtenidos a partir de magnetometría de muestra vibrante para el Co-CMC. La figura 10 muestra la curva de magnetización contra campo aplicado, realizada a temperatura ambiente (300K), donde se muestra la magnetización de saturación (Ms) de 3.73emu/g, también se puede observar la ausencia de la magnetización remanente (Mr) y de un campo coercitivo (Hc), al igual que en el caso anterior (para el Ni-CMC) este hecho, es característico de un material magnético con un Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Materiales híbridos magnéticos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. La síntesis de materiales híbridos nanoestructurados, utilizando como matriz polimérica a la Na-CMC es una alternativa importante ya que es posible obtener una dispersión homogénea de la parte inorgánica en la matriz orgánica. En ambos casos obteniendo primero un material precursor que posteriormente da origen al material híbrido magnético. Los resultados obtenidos en este trabajo de investigación deben ser considerados de mucho valor en lo referente a la producción de nuevos materiales híbridos polifuncionales con gran potencial en aplicaciones tecnológicas y médicas. Fig. 9. Imagen obtenida mediante TEM del material híbrido Co-CMC. Fig. 10. Curva de magnetización para la muestra de Co-CMC . comportamiento superparamagnético asociado a las partículas de Co dispersas en la matriz polimérica, las cuales son de un tamaño promedio de 7 nm. CONCLUSIÓN El estudio realizado de los materiales precursores mediante DRX y FTIR permite concluir, que en la obtención de los materiales precursores, la sal precursora correspondiente no formó cristales, lo cual se considera un indicador de la dispersión homogénea de los iones de cada sal en la CMC. El tratamiento químico utilizado produjo en ambos casos nanopartículas con propiedades magnéticas, dispersas de manera homogénea en la matriz polimérica de Na-CMC. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 BIBLIOGRAFÍA 1. Calvert, P.D., Polymers for new materials. Polymer, 1994. 35(21): p. 4484-4488. 2. Charles P. Poole, J. and F.J. Owens, Introduction to nanotechnology. first ed. 2003, New Jersey. U.S.A: John Wiley & Sons. 3. Ziolo, R.F., et al., Matrix-Mediated Synthesis of Nanocrystalline g-Fe2O3: A New Optically Transparent Magnetic Material. Science, 1992. 257(5067): p. 219-223. 4. Knobel, M., L.M. Socolovsky, and J.M. Vargas, Propiedades magnéticas y de transporte de sistemas nanocristalinos: conceptos básicos y aplicaciones a sistemas reales. Revista Mexicana de Física E, 2004. 50(1): p. 8-28. 5. Hasegawa, M., et al., Electrical and magnetic properties of γ-Fe2O3 epitaxial films. J Magn Magn Mater, 2007. 310(2): p. 2283–2285. 6. Millan, A., et al., Maghemite polymer nanocomposites with modulated magnetic properties. Acta Mater, 2007. 55(6): p. 2201– 2209. 7. 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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia Manuel García Méndez Centro de Investigación en Ciencias Físico-Matemáticas FCFM-UANL, CIIDIT-UANL mgarcia@fcfm.uanl.mx Dmitri Ivánovich Mendeléyev [1834 - 1907], pintado por Ivan Kramskoy. RESUMEN El año 2011 fue proclamado por la UNESCO como el año internacional de la química. Esta celebración centra sus esfuerzos en acercar a la química al público en general, incrementar en los jóvenes el interés por la química, así como generar un mayor entusiasmo acerca del futuro de la química para enfrentar los retos ambientales y tecnológicos del presente y del futuro. Diversos autores han ofrecido revisiones de cómo está situada la química en el ámbito mundial, nacional y local, su importancia en la vida diaria, su contribución, retos y oportunidades. En el marco de esta celebración, en este artículo se exploran los orígenes históricos que llevaron a la conformación de esta ciencia, así como los esfuerzos de la humanidad por entender las propiedades de la materia y clasificarla en lo que hoy se conoce como la Tabla Periódica de los Elementos. PALABRAS CLAVE Tabla Periódica, Modelo atómico de Böhr, Alquimistas, Radioactividad. ABSTRACT Year 2011 was declared by UNESCO as the International Year of the Chemistry. The celebration is focused in developing public interest on Chemistry, increasing the interest of young people on such field and to generate enthusiasm for the creative future of Chemistry for facing environmental and technological challenges. Several authors have exposed overviews about the state of art of the chemistry, its importance in everyday life, its contribution, challenges and opportunities. Within the context of this celebration, this paper will explore the very historical origins that lead to the birth of the Chemistry as well as the mankind effort to unveil the properties of the matter, and to classify it in what is currently known as the Periodic Chart of the Elements. KEYWORDS Periodic chart, Böhr´s Atomic Model, Alchemists, Radioactivity Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 13 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez LOS ORÍGENES En nuestra sociedad actual, tal parece que la investigación, desarrollo y aplicación de nuevos materiales están monopolizados por las ciencias algunas veces denominadas “duras” como son la física, la química y las distintas ramas de la Ingeniería. No siempre fue así: las primeras ideas de la materia surgieron de corrientes filosóficas y metafísicas cultivadas por sacerdotes, filósofos y similares de la antigüedad. Las bases de la filosofía occidental tienen sus orígenes en la Grecia Clásica, en el siglo sexto antes de Cristo (AC). Los filósofos griegos se cuestionaron la naturaleza de las cosas tanto en el ámbito material como espiritual. De esta manera, los griegos postularon que debe haber unas pocas sustancias simples, a partir de las cuales están constituidas todas las cosas. Estas sustancias (o elementos aristotélicos) eran el aire, la tierra, el fuego y el agua: si un material, por decir un metal era rígido, entonces estaba constituido principalmente por tierra. La miel, por ejemplo debía estar constituida principalmente por agua y de los otros elementos en menor proporción.1 Es importante aclarar que los postulados acerca de la naturaleza de la materia formuladas por los griegos, estuvieron influenciadas por ideas que surgieron de civilizaciones más antiguas. Los orígenes de la civilización griega se pueden trazar alrededor del año 2,000 AC, pero en ese tiempo ya existían civilizaciones muy desarrolladas en Mesopotamia, Egipto, Persia e India, donde la proximidad geográfica permitió el intercambio de ideas, pero incluso en civilizaciones aisladas (por decir Japón e incluso Mesoamérica), las ideas básicas acerca de la naturaleza de la materia y el espíritu presentan similitudes sorprendentes a las de sus contrapartes mas comunicadas entre sí.1,2 COMIENZA LA BÚSQUEDA: LA ALQUIMIA Remontémonos a Egipto, una civilización obsesionada con la idea de la vida después de la muerte. Al desarrollar el proceso de momificación, los sacerdotes egipcios, sin pretenderlo, adquirieron conocimientos básicos de química. Al momificar a un cuerpo, los egipcios no buscaban solamente conservarlo, sino encontrar una poción que otorgara la vida eterna. De este intento surgió la Alquimia 14 (figura 1). La práctica de la Alquimia también floreció en China y la India. Es un poco impreciso, pero se cree que la palabra alquimia se deriva de la palabra griega para nombrar a Egipto “Khemia”, a su vez tomada de la palabra egipcia “Khem” que se refiere a la tierra oscura que se depositaba en el Nilo después de las inundaciones. La palabra la adaptaron los griegos para describir las prácticas de los sacerdotes egipcios que buscaban la inmortalidad. Fig. 1. Cuadro de Joseph Wright, pintor inglés (17341797), “Alquimista buscando la piedra filosofal” (Museo de Derby, Inglaterra). El deseo de transmutar oro a partir de otros metales y de encontrar la manera de extender la vida a la inmortalidad, detonó el desarrollo de la alquimia y la búsqueda de la piedra filosofal (en latín “lapis philosophorum”). La función transmutadora y la de otorgar la vida eterna estaban relacionadas: se basaban en la característica del oro de oxidarse más lentamente que otros metales. De esta manera, el oro es inmortal. Por lo tanto, si descubrían como formar oro a partir de otros elementos, los alquimistas esperaban encontrar resultados similares para hacer al cuerpo humano inmortal (en el contexto actual, podríamos decir, esperaban encontrar un “antioxidante ideal”). Hoy en día sabemos que los alquimistas no lograron obtener los resultados que deseaban, pero de los antiguos alquimistas surgió otro tipo de especialistas: los científicos, que buscaban el conocimiento por sí mismo y de esta manera se llegó a la conformación de la primera ciencia moderna: la química.1 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez CAMBIO DE ESTAFETA: LA QUÍMICA A partir del siglo 17, el conocimiento acerca de la naturaleza de la materia se desarrolló a grandes pasos, donde los químicos gradualmente conformaron un inventario de elementos que constituyen la materia. En sus inicios, no parecía haber mucha relación entre los elementos individuales, pero con el tiempo fue surgiendo un patrón que conectaba elementos con propiedades similares que se representaron en forma tabular: estamos hablando del nacimiento de la Tabla Periódica de los Elementos. En 1789, el año de la Revolución Francesa, Lavoisier publicó Traité Elementaire de Chimie. En este tratado, Lavoisier introdujo la idea de los elementos químicos dándoles nombres: hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P), mercurio (Hg), zinc (Zn) y azufre (S). Con Lavoisier, la química se liberó de sus raíces alquímicas y se conformó como una ciencia (aunque Lavoisier aun incluyó a la luz y al calórico como elementos). Por sus servicios como cobrador de impuestos para el “establishment”, a los 50 años, Lavoisier fue declarado traidor y guillotinado por los revolucionarios. Dos años después, el Gobierno francés reconoció su error, pero el daño ya estaba hecho. Ya en el siglo 19, el químico alemán Julius Lothar Meyer y el químico inglés John Newlands en 1864 y 1865, respectivamente, dieron a conocer un patrón que relacionaba el peso atómico de grupos de elementos con propiedades químicas similares entre ellos. Newland colocó los 17 elementos conocidos por él en columnas, ordenándolos por peso atómico. Newland notó que los elementos en la misma columna tenían propiedades similares, pero el patrón se rompía en cuanto se adicionaban más elementos (tabla I). Tabla I. Tabla periódica propuesta por John Newlands en 1865. Hidrógeno (1) Litio (7) Sodio (23) Potasio (39) Berilio (9) Magnesio (24) Calcio (40) Boro (11) Aluminio (27) Carbono (12) Silicio (28) Nitrógeno (14) Fósforo (31) Oxígeno (16) Azufre (32) Flúor (19) Cloro (35) Entre 1868 y 1870, el químico ruso Dmitri Mendeleev publicó un libro de texto de dos volúmenes, Principios de Química, en donde clasificaba a los elementos de acuerdo a sus propiedades y describió el patrón que él percibió en lo que llamó Tabla Periódica. La tabla que él reporta se incluye en la tabla II. De la tabla, los elementos en cada columna tienen propiedades químicas similares y las diferencias en peso atómico son similares. La primera columna incluye el cloro (Cl), bromo (Br) y yodo (I) y las diferencias en peso atómico son 44.5 y 47. La segunda columna contiene potasio (K), rubidio (Rb) y cesio (Cs) con diferencias en peso atómico de 46 y 48. La columna final contiene calcio (Ca), estroncio (Sr) y bario (Ba) con diferencia en peso atómico de 48 y 49. De esta pequeña tabla, Tabla II. Tabla periódica propuesta por Dmitri Mendeleev en 1868. CI 35.5 Tratado elemental de química publicado por Lavoisier en París en 1789. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 K 39 Ca 40 Br 80 Rb 85 Sr 88 I 127 Cs 133 Ba 137 15 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez Mendeleev añadió nuevas columnas hasta construir una versión más completa de la Tabla Periódica.1,3 En esa época, aun había elementos que no habían sido descubiertos, por lo que Mendeleev dejó varios espacios sin llenar para no romper la continuidad de su Tabla Periódica. De esta manera, él predijo las propiedades químicas y peso atómico de los elementos faltantes. Con esta metodología, Mendeleev acertadamente anticipó el descubrimiento del germanio (Ge), galio (Ga) y escandio (Sc). De esta manera, la Tabla Periódica de Mendeleev significó un considerable progreso que reafirmó a la química como una ciencia con fundamentos sólidos. Nature, discutiendo el descubrimiento del núcleo atómico por parte de Rutherford, planteó que los elementos podían ser acomodados en orden creciente por número atómico. Posteriormente otro físico británico, Henry Moseley, al trabajar con Rutherford en Manchester, con sus experimentos de emisión característica de rayos X para diferentes elementos, le dio sustancia y reafirmó el fundamento físico del número atómico o número de electrones, denominado Z (figura 2).3 Fig. 2. Espectro de emisión de rayos X para el molibdeno. La transición más intensa Kα es característica de cada elemento. Tabla periódica de Mendeleev, publicada en 1869. OTRA CIENCIA SE UNE: LA FÍSICA Por otra parte, en 1911 ya se había establecido que los átomos estaban conformados por electrones que poseen carga negativa y por un núcleo muy compacto de carga positiva, donde el balance de cargas confería al átomo neutralidad eléctrica. De esta manera, del conocimiento de la carga, surgió la medición del número atómico de los elementos. Esto fue una contribución de otra Ciencia para entender la naturaleza de la materia: la Física.1,2 Con la información del número atómico, emergió otro patrón: para elementos ligeros la masa atómica es alrededor del doble del número atómico, pero para elementos pesados el cociente entre masa atómica y número atómico se vuelve más grande. En el contexto de la tabla periódica, en 1913 el físico holandés A van den Broek, en una carta a 16 El experimento de Moseley consistía en un tubo de rayos catódicos, donde el ánodo se podía intercambiar. Al aplicar una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo, se emitían rayos X del ánodo (la emisión de rayos X ya la había descubierto Röetgen en 1895). Con un espectrómetro, se medía la intensidad vs longitud de onda (λ). De sus resultados, Moseley notó que si graficaba la raíz cuadrada de la frecuencia característica Kα vs el número atómico, se obtenía una línea recta casi perfecta (figura 3). Con estos resultados se encontró un orden que no siempre coincidía con la masa atómica, pero daba consistencia a la Tabla Periódica. Por ejemplo, el cobalto (Co) y níquel (Ni) tienen número atómico 27 y 28, respectivamente, pero sus masas atómicas tiene un orden distinto (58.93320 y 586934 para Co y Ni, respectivamente).3 De esta manera, la Tabla Periódica comenzó a adquirir su conformación actual. Moseley nació casi 100 años después de la Revolución Francesa, en 1887 (en referencia a Lavoisier), pero su Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez Figura 3. Espectros de emisión de rayos X (radiación Kα) reportada por Moseley para distintos elementos atómicos. final fue casi igual de trágico. Moseley fue mandado a servir al frente de la campaña de Gallipoli en Turquía durante la Primera Guerra mundial. Murió en batalla en 1915 a los 28 años de edad. Con el conocimiento del núcleo atómico, la Tabla Periódica y los resultados de Moseley, se comprendió que las reacciones químicas también involucraban a los electrones y que la emisión característica de los rayos X estaba relacionada con el núcleo. La variación sistemática de la radiación Kα con el número atómico, llevó a concluir que precisamente el número atómico también representaba el número de carga positiva del núcleo. Posteriormente, Rutherford lo denominó protón. A partir de 1913, una serie de experimentos que culminaron con el realizado por el físico James Chadwick (1891-1974) en el laboratorio de Cavendish, llevó al descubrimiento del neutrón. Por el descubrimiento del neutrón, a Chadwick le fue otorgado el premio Nobel de Física en 1935. De esta manera, la estructura de los átomos ya había sido establecida: cada átomo consistía en un núcleo compacto de protones y neutrones. El número de protones proporciona el número atómico del elemento y el número combinado de protones y neutrones proporciona el peso atómico, denominado unidad de masa atómica (atomic mass units: amu). Sin embargo, aun faltan otros factores a tomar en cuenta para conformar de manera más sistemática la Tabla Periódica, como se explicará a continuación. En 1913, establecido en Manchester, Inglaterra, el físico danés Niels Böhr propuso un modelo de estructura atómica en donde los electrones orbitaban Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 el núcleo atómico a la manera de planetas alrededor del sol.4,5,6 Para el caso de los electrones, la fuerza electrostática es la que mantenía a los electrones girando alrededor del núcleo. En las órbitas electrónicas, el momento angular estaba cuantizado y restringía la energía de los electrones. Cada órbita se describía por un número entero “n” (en Mecánica Cuántica, n es el número principal), donde n=1 era el nivel energético mínimo, relacionado a la distancia mínima electrón-núcleo. Conforme n se incrementa, el electrón estará más alejado y por ende, energéticamente menos ligado al núcleo. El modelo de Böhr fue muy exitoso para explicar el espectro de emisión del átomo de hidrógeno, pero falló para elementos más pesados, aunque conservó su validez para algunos átomos como el sodio y el potasio (figura 4). Fig. 4. Modelo atómico de Böhr donde se describen (a) las órbitas de un electrón y (b) los niveles energéticos del electrón para un átomo tipo hidrógeno. Cuando el espectro de emisión del hidrógeno se analizó con más precisión, se encontró que las líneas predichas por la teoría de Böhr no eran únicas, sino que estaban conformadas por cúmulos de líneas muy cercanas entre sí. En 1922, el físico alemán Arnold Sommerfeld propuso que las órbitas de los electrones podían ser elípticas y que para cada valor principal n, había l posibles órbitas, donde l=n-1. Este número “l” se denominó número cuántico azimutal. De esta manera, la introducción de “l” explicó la separación de líneas dentro de una órbita n. Sommerfeld también introdujo el principio de cuantización en la orientación de la órbita del electrón en la componente angular, cuando se induce un campo magnético. Esta cuantización se expresa como mħ, donde m es el número cuántico magnético, que tiene valores enteros 2l+1, desde –l hasta +l. 17 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez La descripción del espectro de emisión del hidrógeno en términos de los números cuánticos “n”, “l” y “m” resultó buena, pero aun no se ajustaba por completo a lo detectado experimentalmente: un análisis minucioso arrojó que cada línea aparecía doble: Se necesitaba explicar el origen de este desdoblamiento. En 1922, los físicos Otto Stern y Walther Gerlach diseñaron un experimento, donde calentaban plata (Ag) en un horno hasta vaporizarla para producir un “jet” de átomos. Lo átomos se hacían pasar por una rejilla y se dirigían a una región de campo magnético donde eran deflectados y finalmente detectados en una pantalla. Se encontró que el haz de átomos de plata siempre se desdoblaba en dos haces al pasar por la región de campo magnético (figura 5). En su momento no lo pudieron explicar, ya que la plata tiene un único electrón en su capa de valencia 5s y en todas las subcapas s, el momento angular es cero. Fig. 5. Experimento de Stern-Gerlach. El haz de átomos de plata se divide en dos al pasar por la región de campo magnético. En 1925, los físicos Samuel Goudsmit y George Uhlenbech proporcionaron una explicación a este hecho, que después fue apoyada por el prominente físico austríaco Wolfang Pauli, premio Nobel de Física en 1945 (hay que mencionar que en un principio, Pauli se mostró reticente a la explicación, pero como buen científico y a la luz de las evidencias, cambió de opinión). Goudsmit y Uhlenbech explicaron el experimento de Stern-Gerlach en la base de que el electrón tenía un momento intrínseco que se denominó “spin” (en analogía, podemos pensar en un tipo de giro del electrón) que posee un momento angular y magnético asociado. Se puede españolizar como espín. Considerando el momento magnético “m”, el número de posibles orientaciones será 2l+1. Cada flujo de partículas tiene el número azimutal l. 18 Entonces, al pasar por la región de campo magnético, el haz se separará en dos haces 2l+1. Esto implicaría que 2l+1=2, ó l=1/2, lo cual parece inconsistente con lo que se ha planteado. Sin embargo, se encontró que los electrones tenían un momento de spin característico de ½, con lo que surgió el cuarto número cuántico o número de espín denominado “s”: el desdoblamiento de líneas en el espectro de emisión del hidrógeno llegó a una explicación satisfactoria. Aun más, el concepto de espín del electrón le proporcionó la componente final y una explicación más sistemática a la estructura electrónica de los átomos y a la estructura de la tabla periódica. En 1925, Pauli propuso la idea (conocida como Principio de exclusión de Pauli) que cada electrón se puede describir por un conjunto único de cuatro números cuánticos. Es el análogo a decir que cada electrón tiene su identidad propia. La solución a la ecuación del átomo de hidrógeno en coordenadas esféricas (propuesta e interpretada por el físico teórico alemán Erwin Schrödinger, premio Nobel de Física en 1933), le proporcionó una base teórica muy firme a los resultados experimentales obtenidos del espectro de emisión del átomo de hidrógeno. De la solución a esta ecuación, surgen los números cuánticos n, l y ml y con ellos, el número de orbitales disponibles para el llenado de electrones en su estado base (ground state). Cada solución que va surgiendo se denomina función de onda y en términos matemáticos, es una solución de armónicos esféricos que involucra polinomios de Legendre. La solución se expresa como Ψnlm (r, θ, ϕ), donde n, l y m son los números cuánticos y r, θ y ϕ son las componentes radial, polar y azimutal, respectivamente, en coordenadas esféricas. Cada solución estará dada por un conjunto único de índices (n, l, ml) que definirán un estado cuántico del sistema. Un estado cuántico es un nivel energético o simplemente, la órbita que describe cada electrón alrededor del núcleo. Entonces, los términos órbita y nivel electrónico son equivalentes en significado.4,5 Los números cuánticos que surgen de las condiciones de frontera al resolver la ecuación de Schrödinger son los siguientes: n= 1,2,….; l= 0,1,…n1; m=0, ±1, ±2,… ±l. Entonces, con cada solución se conforman los niveles en capas principales (número “n”) denominadas K (n=1), L (n=2), M (n=3) y N Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez Cada subcapa tiene una forma distinta, por eso al número cuántico “l” se le puede denominar como “la forma” de la órbita del electrón, mientras que el número principal “n” se le puede denominar “la distancia” del electrón al núcleo. El número “ml” se le puede denominar a las posibles alineaciones del electrón que surgen de aplicar un campo magnético (figura 7). El número de espín “s” se le puede denominar el giro intrínseco del electrón (un análogo a que gira sobre su propio eje), que toma valores de ½ (giro “hacia arriba) y - ½ (giro “hacia abajo”).4,6 De esta manera, la tabla periódica actual está ordenada de acuerdo a las propiedades electrónicas de los átomos que conforman cada elemento en particular, donde las propiedades químicas de un elemento dependen de la manera en la cual sus electrones de valencia interactúan con los electrones de valencia de otros elementos. Por ejemplo, la configuración electrónica del He, Ne y Ar es la siguiente: He: 1s2 Ne: 1s22s2p6 Ar: 1s22s2p63s2p6 Estos elementos tienen la característica común de ser gases nobles y tener una configuración de capa llena. Estos elementos son químicamente inertes. No tienen capacidad de formar compuestos con ellos mismos o con otros elementos. Por ejemplo, para el H, Li y Na se tiene: H: 1s1 Li: 1s22s1 Na: 1s12s22p63s1 Estos elementos tienen un solo electrón en su última capa. El Cloro: Cl: 1s22s2p63s2p5 Le falta un electrón en su última capa. Entonces, todos los elementos a la izquierda (H, Li, Na) pueden ceder su electrón externo al cloro y formar compuestos iónicos. El número de electrones que un átomo pierde o gana define su valencia. Entonces el Na y el Cl tienen valencia 1, con la diferencia que el Na es electropositivo y el Cl es electronegativo. Por ejemplo, el cloruro de magnesio (MgCl2) el Mg tiene valencia 2, le cede sus electrones a dos átomos de cloro. Fig. 7. Representación del número cuántico ml: (a) la órbita de un electrón y su equivalente representado por un imán (b) posibles orientaciones del número magnético. ORDENAMIENTO DE LOS ELEMENTOS POR ESTRUCTURA ELECTRÓNICA Basado en la configuración electrónica, la tabla periódica se estructura en columnas y filas, denominados grupos y períodos, respectivamente.4 Los elementos del mismo grupo trabajan con la misma valencia y tienen características muy similares entre sí. La clasificación de 18 grupos con números arábigos se implementó por la IUPAC (International (n=4). Después del N seguirían en resto de las letras del abecedario. Cada capa principal se subdivide en subcapas de momento angular “l” (recordemos que estas subcapas van desde o hasta n-1). Las subcapas se denominan “s” (de “sharp”, l=0), “p” (de “principal, l=1), “d” (de “difuse”, l=2) y “f” (de “fundamental”, l=3). Cada subcapa s, p, d y f se puede llenar con 2, 6, 10 y 14 electrones, respectivamente. De estas reglas, entonces la capa K tiene un subnivel s, la capa L subniveles s y p, la capa L subniveles s, p, d y finalmente la capa M con subniveles s, p, d, f (figura 6).4,5 Fig. 6. Secuencia de llenado de electrones en capas y subcapas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 19 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez Union of Pure and Applied Chemistry)3 a partir de 1988, ya que la designación de grupos A y B es en cierta medida arbitraria. Los elementos de una misma fila tienen propiedades diferentes, masas atómicas similares y el mismo número de orbitales. De esta manera, el ordenamiento basado en la configuración electrónica permitió en su momento ubicar elementos químicos antes de ser descubiertos, un ejemplo notable de esto son los gases nobles, detectados posteriormente en espectros de emisión del sol. Los elementos desde Z=1 (hidrógeno) hasta Z=92 (uranio) existen en la naturaleza, con excepción del Z=43 (tecnecio) y Z=61 (prometium). Los elementos del Z=93 (neptunio) en adelante se producen de manera artificial, presentan comportamiento radiactivo y tienden a ser muy inestables. El elemento Z=94 (plutonio) es relativamente estable y decae en neptunio (Z=93) por emisión de partículas alfa (partículas de helio).1,3 LA TABLA PERIÓDICA Y LOS MATERIALES DE LA ACTUALIDAD La tabla periódica actual permite conocer las propiedades de los elementos y la probabilidad de ser combinados y/o sustituidos por otros. A su vez, el desarrollo de nuevos materiales y dispositivos dependen en gran medida de la comprensión de los materiales a nivel elemental, que se hace a través de experimentos y análisis teóricos. Esto permitió el surgimiento de los materiales semiconductores artificiales (no se encuentran en la naturaleza), resultado de combinar elementos del grupo II-VI (por ejemplo ZnO)7 o del grupo III-VI (por ejemplo, AlN),7 que junto con el silicio, forman la base de la tecnología actual de semiconductores. También, combinando el Si con metales nobles y refractarios, surgieron los siliciuros de metales de transición8 (desde el grupo del Sc hasta el Zn), que hoy en día son objeto de estudio por sus potenciales aplicaciones como contactos tipo metal. De la tabla periódica también es posible predecir combinaciones e incluso estudiar de manera teórica, las propiedades de algún compuesto aún no descubierto o sintetizado experimentalmente, por ejemplo el C3N4, propuesto en 1989 por A. Liu y M. Cohen como un material que poseía una dureza superior al diamante9 (este material aun presenta muchas dificultades para ser sintetizado mas allá de micro cristales, pero la ruta ya está trazada y se trabaja al respecto). Con esta metodología, ha sido posible contar con aleaciones y compuestos desde los más simples hasta los más complejos. Fig. 8. Tabla periódica de los elementos, conformación actual. 20 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez LA MODERNA PIEDRA FILOSOFAL Es evidente que las propiedades de la materia resultaron por mucho, ser más complicadas que las ideas simples propuestas por los griegos, ya que de cuatro elementos, el número se incrementó a 92. Sin embargo, las ideas filosóficas de los griegos se fundaban en que toda teoría debe partir de una explicación simple y los experimentos de la física, sobretodo de los albores del siglo 20, al demostrar que había tres componentes básicos de la materia: protones, neutrones y electrones, restauraron un poco la simplicidad de las ideas iniciales. Obviamente se ha descubierto que el núcleo atómico no consta solamente de protones y neutrones, sino de una “flora y fauna” de partículas más elementales. La búsqueda de las componentes aun más elementales de la materia sigue su curso hoy en día. En cuanto a la transmutación de elementos, regresemos al fenómeno de la radioactividad: la radioactividad se produce cuando se rompe el núcleo de un átomo, produciéndose en consecuencia la emisión de partículas y radiación, donde un elemento se puede transformar en otro: ¡transmutación de la materia! En la “alquimia moderna” (llamándola así en el contexto de convertir un elemento en otro), un elemento se puede “transmutar” en otro bombardeándolo con partículas (partículas de helio alfa, protones, neutrones) o radiación (rayos gamma). Los alquimistas de la antigüedad utilizaban sustancias peligrosas y explosivas (pólvora, azufre) para tratar de trasmutar los elementos, sin embargo hoy sabemos que se requieren cantidades aun más grandes de energía para lograr tal fin, solo alcanzable por medio de reacciones nucleares. Por ejemplo, para remover un electrón de un núcleo de hidrógeno en su estado base (expulsarlo del nivel 1s) se requieren solamente 13.6 eV (alcanzable con una descarga eléctrica). Para convertir un isótopo estable de27 Al en uno estable de.30 Si con bombardeo de 4He, se requieren 4.01 MeV (donde 1 MeV= 1;000,000 de eV) y esto para obtener cantidades pequeñas, si acaso miles de átomos, ni siquiera gramos de un material (Al) transmutado en otro (Si). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 En 1980, el físico norteamericano y premio Nobel de Química 1951 Glenn Theodore Seaborg (19121999) logró obtener unos miles de átomos de oro (Au) extrayendo tres protones al plomo (Pb),1,2 pero también en este caso, el gasto en energía para obtener unos cuantos miles de átomos de oro, excedería por mucho la posible ganancia. Por otra parte, el promedio de vida en la antigüedad y hasta bien entrado el siglo 19, era de 40 años (para nosotros es difícil imaginar que incluso bien entrado el siglo 19, la calidad de vida de toda la población mundial era poco más que miserable). Con medidas relativamente simples implementadas en el siglo 20, como lavarse las manos con agua y jabón, drenaje, vacunas, ácido fólico para las futuras madres y yodo en la sal para la población, aunados a “máquinas cuánticas” para tratamientos médicos (rayos X, resonancia magnética, emisión de positrones, láseres), la esperanza de vida se elevó de 40 a 75 años (en todo el planeta, sin excepción, se ha elevado, en menor o mayor medida). CONCLUSIONES: CERRANDO EL CÍRCULO La tabla periódica resume, literalmente, miles de años de esfuerzo de la humanidad en plantear, comprender y reformular preguntas relacionadas con nuestras necesidades materiales, objetivas y subjetivas, pero indudablemente existen muchos retos que resolver como sociedad en conjunto, donde las soluciones deben estar disponibles casi de inmediato. Actualmente se ha dejado en manos de los científicos el encontrar la solución a los problemas de medio ambiente, energía, alimentación, salud, etc., pero no hay que olvidar que la ciencia persigue el conocimiento de las cosas, conocimiento que quizá en el momento no tenga aplicaciones inmediatas. Sin embargo, más conocimiento significará contar con más herramientas para enfrentar mejor el futuro y tomar mejores decisiones. Por esta razón, la inversión en infraestructura material y formación de nuevos científicos debe ser constante. Hoy en día, la investigación científica tiende a ser cada vez más multidisciplinaria, sin embargo, es importante reconocer la contribución que ha tenido la química en la conformación de la sociedad actual. 21 �La tabla periódica: De la piedra filosofal a los constituyentes elementales de la materia / Manuel García Méndez BIBLIOGRAFÍA 1. Michael M. Woolfson, Materials, Matter and Particles: A Brief History. 2010. Imperial College Press, London. ISBN 13 978-1-84816-459-8. 2. Keith J. Laidler, To light such a candle. 1998. Oxford University Press. Oxford. ISBN 0-19850056-4. 3. John Emsley, The Elements. 1998. Claredon Press, Oxford. ISBN 0-19-855819-8. 4. John P. McKelvey, Solid State Physics for Engineering and Materials Science. Krieger Publishing Company, Florida. ISBN 0-89464436-X. 5. Richard W. Robinet. Quantum Mechanics: Classical results, Modern Systems and Visualized 6. 7. 8. 9. Examples. 1997. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-509202-3. Phillip R. 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INSTITUCIONES PARTICIPANTES: Acoustical Society of America, Asociación Mexicana de Ingenieros y Técnicos en Radiodifusión, Cámara de la Industria de la Construcción, Del. Oaxaca, Cenidet, Centro Nacional de Metrología, CIIDIR Oaxaca, Colegio de Ingenieros en Comunicaciones y Electrónica, Instituto Guerrerense de la Cultura, Instituto Politécnico Nacional, Instituto Tecnológico Superior de Uruapan, Tecnológico de Veracruz, Universidad Autónoma de Nuevo León, Universidad de Guadalajara, Universidad de Guanajuato, Universidad de las Américas en Puebla, Universidad Latina de América, Universidad Tecnológica Vicente Pérez Rosales (Chile). SEDE: Centro de Convenciones del Hotel Real de Naturales, Cholula, Puebla. INFORMACIÓN Coordinación General: M.Sc. Sergio Beristáin: sberista@hotmail.com TEL. (52 - 55) 5682 - 2830, 5682 - 5525, FAX (52 - 55) 5523 - 4742 Coordinación Cholula: Ing. Francisco Javier Sánchez Díaz: pacos33@hotmail.com TEL. 01 2222 85 19 81, FAX 01 2222 88 7909, CEL. 045 2223 132271 22 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 dopado con indio y níquel Leticia M. Torres-Martínez, Miguel A. Ruiz-Gómez Departamento de Ecomateriales y Energía, de la Facultad de Ingeniería Civil, Instituto de Ingeniería Civil, UANL lettorresg@yahoo.com RESUMEN En este trabajo se presenta la síntesis mediante el método sol-gel de dióxido de titanio nanocristalino dopado con indio y níquel. La influencia en las propiedades estructurales, texturales y catalíticas fueron investigadas. La presencia de indio y níquel en la titania influyó de manera significativa sobre el tamaño de cristal y la transición de la fase anatasa-rutilo. Las características finales debido a la inclusión de indio en la titania mejoraron la capacidad para la adsorción del gas óxido nítrico. En los materiales de titania dopada con níquel, el tamaño de cristal y el contenido óptimo de níquel fueron los factores más importantes para la degradación del colorante rojo alizarín S. PALABRAS CLAVE TiO2, método sol-gel, tamaño de cristal, adsorción de óxido nítrico, degradación de colorantes. Artículo basado en el proyecto “Efecto del dopaje de indio y níquel en las propiedades texturales, estructurales y catalíticas de polvos nanométricos de titania preparada por sol-gel”, el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2011, en la categoría de Ciencias Exactas, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 8 de septiembre de 2011. ABSTRACT This paper presents the synthesis by sol-gel method of nanocrystalline doped indium and nickel titanium dioxide. The effect on structural, textural and catalytic properties was investigated. The presence of indium and nickel had an important influence on crystal size and anatase-rutile transition phase of titania. The final characteristics obtained by the inclusion of indium in titania enhanced the properties of these materials to adsorb nitrogen oxide gas. In materials of nickel doped titania, the small crystal size and optimal nickel content were important factors in degradation of alizarin red S dye. KEYWORDS TiO2, sol-gel method, crystal size, nitric oxide adsorption, dyes degradation. INTRODUCCIÓN Actualmente la ciencia y tecnología de materiales se enfoca en el diseño de nuevos materiales superfuncionales mediante el control y manipulación de su composición, fases presentes y defectos nanoestructurales, con el fin de obtener las propiedades específicas para satisfacer múltiples aplicaciones. Con el desarrollo de la nanotecnología y la sinergia entre diversas disciplinas científicas se ha logrado Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 23 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. diseñar materiales con propiedades y características muy específicas, las cuales han coadyuvado tanto a la aplicación de estos como al desarrollo de tecnologías emergentes en la comunicación, transporte, energía, medicina y medio ambiente. El desarrollo de nuevos materiales depende principalmente de la aplicación que estará en función de sus propiedades, su composición y su tamaño. El control de las propiedades y su diseño mismo ha sido posible gracias al entendimiento de los fenómenos fisicoquímicos que ocurren en la síntesis. Entre los métodos de preparación se puede mencionar el sol-gel, hidrotermal, co-precipitación, coloidal y solvotermal, principalmente, en los cuales la química juega un papel importante ya que se trata de un control termodinámico y cinético que se lleva a cabo bajo condiciones moderadas de reacción. Hoy en día, existe un gran interés en investigar las propiedades fisicoquímicas de materiales semiconductores para su aplicación en el área de la catálisis heterogénea. En dicha área el dióxido de titanio (TiO2) es el material más ampliamente usado e investigado debido a sus propiedades eléctricas y ópticas, buena estabilidad química, resistencia a la foto-corrosión y gran poder oxidante.1-6 El TiO2 presenta tres polimorfos conocidos, la anatasa, rutilo y broquita.7 No obstante, la anatasa es la fase más usada en la catálisis heterogénea. Por dicha razón, es importante controlar la transición de fases en el dióxido de titanio. Se ha reportado que la fase rutilo es más estable en tamaño microscópico, mientras que la estructura de la anatasa es termodinámicamente más estable cuando el tamaño de cristal es menor a 14 nm.8,9 Se ha llegado a la conclusión9 que las nanopartículas amorfas de la titania se transforman en anatasa, una vez que el cristal posee un tamaño superior a 2.5-3 nm. Además se ha reportado10 que la transición anatasa-rutilo depende de los reactivos y condiciones de la síntesis, así como la forma y tamaño de partícula. El TiO 2 es un catalizador muy eficiente para eliminar sustancias tóxicas presentes en el ambiente.11-18 Además el TiO2 posee la capacidad de adsorber gases sobre su superficie. Debido a sus interacciones superficiales, el TiO2 puede ser usado para descomponer gases de invernadero y compuestos tipo NOx presentes en la atmósfera.19-25 24 En la actualidad, muchas investigaciones a nivel mundial están enfocadas en modificar las propiedades fisicoquímicas y mejorar la actividad catalítica del TiO2. La eficiencia del dióxido de titanio está relacionada principalmente con su estructura cristalina y morfología, y es aquí donde el método de síntesis juega un papel importante. Durante la síntesis del TiO2 diversos elementos químicos han sido utilizados como dopantes,26-28 en particular, los metales son muy usados debido a que actúan como aceptores de electrones y minimizan la recombinación de las cargas generadas. Sin embargo, cuando su contenido excede la cantidad óptima, los metales actúan como sitios de recombinación de cargas, provocando una disminución notable en la actividad catalítica.21,29-37 La transición anatasa-rutilo puede ser modificada debido a la presencia de ciertos iones durante el crecimiento de la partícula del TiO2.38-40 Se ha establecido10 que dopantes con carga 4+ incrementan la temperatura de transición anatasa-rutilo mientras que dopantes de diferente ó variable valencia disminuyen la temperatura de este proceso, con excepción del Al3+. El indio presenta un estado de oxidación 3+ como más estable, su mayor radio iónico y su tendencia por un número de coordinación mayor, igual a 8, podría promover la estabilización de la estructura cristalina anatasa.26,41,42 Por otro lado, el níquel presenta un estado de oxidación de 2+ y su radio iónico es relativamente similar al del Ti4+, además el Ni2+ también puede formar una coordinación octaédrica como el Ti4+. El presente trabajo está enfocado en determinar la influencia del dopaje de los metales indio y níquel en el TiO2, sobre la estructura cristalina, tamaño de cristal y transición de las fases de la titania sintetizada por el método sol-gel. Además, se discuten algunas relaciones del efecto del indio y níquel en las propiedades texturales y catalíticas para la adsorción de óxido nítrico y la degradación fotocatalítica del colorante rojo alizarín S. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Síntesis del TiO2 dopado con indio En un matraz se colocaron 34.92 g de butóxido de titanio (Aldrich 97%) y 250 mL de alcohol Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. etílico. Dicha solución se colocó en un sistema a reflujo a 70°C con agitación constante y después se adicionaron 6 mL de ácido nítrico. El sistema se mantuvo en agitación durante 10 minutos para homogeneizar la mezcla. Posteriormente, se adicionó agua mediante goteo hasta la obtención del gel y se dejó en reflujo por 30 minutos. El secado se realizó a 70°C. Las muestras dopadas con indio fueron preparadas de la misma manera descrita anteriormente, a diferencia de que después de agregar el ácido nítrico, se añadió una disolución acuosa de In(NO3)3 • 5H2O (Aldrich) para dopar el TiO2 con porcentajes teóricos de indio de 1 y 5%. Los materiales sintetizados fueron tratados térmicamente a 400 y 600°C durante 4 horas bajo atmósfera de aire. Síntesis del TiO2 dopado con níquel Primero se disolvió la sal de Ni(NO3)2 6•H2O (Aldrich) en 0.1715 moles de alcohol etílico para obtener porcentajes teóricos de níquel entre 0.5 y 6%. Después, en un matraz se mezclaron 0.5144 moles de alcohol etílico y 1.1111 moles de agua al cual se le adicionaron 0.1292 moles de butóxido de titanio (Aldrich 97%) y la disolución correspondiente de nitrato de níquel. La condensación se hizo a 80ºC durante 48 horas. El material se secó a 80ºC por 12 horas. Esta metodología se siguió de igual manera para sintetizar el TiO2 sin dopar, en donde solamente se utilizó como precursor el butóxido de titanio bajo las mismas condiciones de síntesis antes descritas. Los materiales sintetizados fueron tratados térmicamente a 400 y 600°C durante 4 horas bajo atmósfera de aire. CARACTERIZACIÓN Los materiales sintetizados fueron caracterizados mediante las técnicas de Difracción de Rayos X en polvos (DRX), Análisis Térmico Gravimétrico y Diferencial (ATG/ATD), Espectroscopía de Infrarrojo (IR), Espectroscopía UV-Vis para sólidos y Espectroscopía Micro-Raman. Además mediante la fisisorción de nitrógeno se determinó el área superficial específica (método BET) y la distribución de tamaño de poro (método BJH). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 PRUEBAS CATALÍTICAS Adsorción de NO con TiO2 dopado con indio Las pruebas se realizaron en un reactor que consiste de una cámara de vacío acoplada a un espectrofotómetro de infrarrojo, bajo sistema continuo. Para el análisis, se colocó la muestra a evaluar en una celda DRIFT, acoplado con un sistema de calentamiento que permitió operar bajo diferentes condiciones de reacción. Dentro de la cámara se colocó 0.1g de la muestra soportada sobre una malla metálica y posteriormente se hizo pasar un flujo de aire sintético y se calentó hasta 250°C, la muestra permaneció durante 1 hora y después se enfrió a 50°C para obtener un espectro de referencia. La muestra fue expuesta a un flujo de gas conteniendo helio (14.6% O2) mezclado con 1,000 ppm de óxido nítrico (NO). Los gases de salida fueron recolectados en una celda para análisis de gases por FTIR para determinar la presencia y concentración de los óxidos de nitrógeno (NO, N2O, NO2). Evaluación fotocatalítica con TiO2 dopado con níquel Para estas pruebas, se empleó un reactor tipo batch en el cual se colocaron 150 mL de la disolución del colorante rojo alizarín S (60 ppm) y 50 mg del sólido a evaluar. Como fuente de irradiación se usó una lámpara UV tipo pluma con longitud de onda de 365 nm e intensidad de 1,280 μW/cm2. Durante la reacción, se tomaron alícuotas periódicamente usando filtro de nylon de 0.45 μm para eliminar el sólido y se analizaron mediante espectrofotometría de UV-vis. La variación de la concentración se determinó considerando la intensidad de la banda de absorción máxima (260 nm) del colorante, en función del tiempo. Antes de realizar las pruebas fotocatalíticas se efectuaron pruebas de adsorción para establecer las condiciones adecuadas para la reacción de degradación. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Difracción de rayos X en polvos Materiales de TiO2 dopado con indio En la figura 1 se presentan los patrones obtenidos de los materiales de titania sin indio, en los cuales se 25 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. Fig. 1. Patrones de DRX en polvos de titania sin indio: (a) xerogel secado a 70°C y de los polvos tratados a: (b) 400°C; (c) 600°C. A= Anatasa; R= Rutilo; B= Broquita. Fig. 2. Patrones de DRX en polvos de los materiales calcinados a 600°C: (a) sin indio; (b) 1% de indio; (c) 5% de indio. A= Anatasa; R= Rutilo; B= Bruquita. puede apreciar claramente que en el xerogel seco ya se detecta la presencia de la fase anatasa, sin embargo es probable que exista una gran cantidad de material amorfo. En el material tratado a 400°C se mantiene la fase anatasa pero además se observaron débiles reflexiones asociadas con las fases bruquita y rutilo. Finalmente, a 600°C se transformó una gran cantidad de la anatasa en rutilo, siendo ésta la fase principal. Por lo tanto, es posible deducir que la cristalización se obtiene a bajas temperaturas, presentándose con el secado del gel a 70°C. Durante el tratamiento térmico, conforme se incrementa la temperatura se aumenta la cristalinidad y toman lugar los procesos de transformación de fases, en donde el más notorio ocurre a 600°C. Los materiales dopados con indio al 1.0 y 5.0 %, presentaron patrones de DRX muy similar. En los xerogeles obtenidos se observó la fase anatasa. La presencia de la anatasa como única fase cristalina se mantuvo en los materiales dopados con indio tratados a 400ºC. Sin embargo, a 600°C los sólidos de TiO2 con 1.0% de indio presentan una pequeña cantidad de rutilo. En la figura 2 se muestran los materiales tratados a 600ºC, en este caso se puede apreciar que la titania con 5% de indio, está constituida solamente por anatasa. Las intensidades de las reflexiones principales de rutilo fueron menores en la titania con 1% de indio respecto al material de TiO2 sin dopar. Estos resultados muestran que, conforme se incrementa el porcentaje de indio en la titania, la fase anatasa se estabiliza. De los datos presentados en la tabla I, es posible comparar el tamaño de los cristales en cada material a diferentes temperaturas. Se aprecia que todos los xerogeles de TiO2 contienen la fase anatasa con un tamaño del cristal de entre 3.2-3.8 nm. Según Zhang y Banfield,9 este es el tamaño óptimo para la producción de cristales de anatasa, por lo tanto la anatasa puede ser obtenida a más bajas temperaturas utilizando el método sol-gel descrito en este trabajo. En la misma tabla I, se observa que la titania con 1% de indio y sin indio, tratada a 600ºC tuvieron valores similares de tamaño de cristal de la anatasa (~17 nm) y del rutilo (~27 nm). En los sólidos de TiO2 con 5% de indio, se observó que el crecimiento del cristal fue más lento y alcanzó un tamaño aproximado de 8.5 nm para la fase anatasa a 600°C. Con estos resultados se puede asumir que dicho porcentaje de indio es el adecuado para el control de la formación de la fase de rutilo. En la tabla II se muestran los porcentajes calculados para cada fase presente en las muestras de titania. Es evidente que la cantidad de la fase de rutilo disminuye con el incremento de indio, hasta no ser detectada en las muestras con 5% de indio. La fase bruquita fue encontrada solamente en los materiales de TiO2 puro y con 1% de indio tratados a 400°C. 26 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. Tabla I. Tamaño de cristal para la fase de Anatasa y Rutilo presentes en las muestras de TiO2. Muestras TiO2 In(1%)/TiO2 In(5%)/TiO2 Temperatura (°C) Xerogel 400 600 Xerogel 400 600 Xerogel 400 600 Tamaño de Cristal (nm) Anatasa Rutilo (101) 3.2 5.8 17.0 3.8 6.0 16.3 3.7 4.5 8.5 (110) 9.0 27.3 9.0 27.2 - * La reflexiones (101) y (110) son los principales planos de las estructuras de anatasa y rutilo respectivamente. Tabla II. Porcentaje de las fases de anatasa, rutilo y bruquita presente en muestras de TiO2. Muestras % Anatasa TiO2-xerogel 100.0 TiO2-400° C 65.2 TiO2-600° C 19.6 In(1%)/TiO2-xerogel 100.0 In(1%)/TiO2-400° C 83.1 In(1%)/TiO2-600° C 87.9 In(5%)/TiO2-xerogel 100.0 In(5%)/TiO2-400° C 100.0 In(5%)/TiO2-600° C 100.0 % Rutilo % Bruquita 0 0 14.7 20.1 80.4 0 0 0 6.0 10.9 12.1 0 0 0 0 0 0 0 Materiales de TiO2 dopado con níquel En la figura 3 se presentan los difractogramas de titania sin dopar, en los cuales se observa claramente que el xerogel seco ya presenta reflexiones características de la fase cristalina anatasa (figura 3a), este resultado coincide con lo observado anteriormente para los materiales de TiO2 dopados con indio. Por lo tanto, la presencia de la fase anatasa en el xerogel obtenido en los materiales de TiO2 dopado con indio y con níquel puede ser atribuido directamente al método de síntesis, en este caso, la ruta sol-gel. Por otro lado, en la muestra tratada a 400ºC (figura 3b) se observa que la intensidad aumentó debido al tratamiento térmico, además se mantiene la anatasa como única fase cristalina presente, de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Fig. 3. Patrones de difracción de rayos X en polvos del TiO2 sin dopar: (a) xerogel secado a 80ºC, y del material tratado térmicamente a: (b) 400ºC y (c) 600ºC. A = Anatasa y R = Rutilo. acuerdo con las reflexiones a 2θ = 25.3º, 37.8º, 48.0º, 53.9º y 62.7º correspondientes a los planos cristalográficos 101, 004, 200, 105 y 204 con base al patrón JCPDS #21-1272. Cuando la muestra fue tratada a 600ºC (figura 3c), se observa mayor intensidad de las reflexiones de la fase anatasa. Además, se logró detectar una pequeña reflexión a 2θ = 27.4º, la cual corresponde a la más intensa de la fase cristalina rutilo, plano cristalográfico 110, de acuerdo al patrón JCPDS # 21-1276. Es importante mencionar que en ninguno de los materiales se logró detectar reflexiones atribuidas a la broquita. En las muestras de TiO2 sin dopar y dopado con níquel, tratados a 400ºC, se observó que todos los materiales presentaron como única fase cristalina la anatasa. En la figura 4 se presentan los difractogramas de los materiales tratados a 600ºC, donde se observa que todos los materiales tienen como fase cristalina principal a la anatasa. Específicamente, para el sólido de TiO2 sin dopar se detectaron reflexiones características de la fase anatasa en una mayor proporción, y pequeñas reflexiones pertenecientes al rutilo. En la titania con 0.5 y 3% de níquel se observó solamente la fase anatasa, indicando que la presencia de níquel provoca que la transición de la fase anatasa a rutilo se retarde. Finalmente, cuando el dopaje de níquel es del 6%, las reflexiones observadas corresponden a las fases anatasa, titanato de níquel y rutilo. 27 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. Tabla III. Tamaño de cristal para la fase Anatasa y Rutilo presentes en las muestras de TiO2. Muestra TiO2 TiO2- 0.5%Ni Fig. 4. Patrones de DRX de los materiales tratados térmicamente a 600ºC, para: (a) TiO2 sin dopar, y TiO2 dopado con: (b) 0.5%, (c) 3% y (d) 6% de níquel. A = Anatasa, R = Rutilo y TN = Titanato de níquel. Los resultados anteriores revelan que el dopaje de níquel influyó significativamente en la estructura cristalina de la titania. Se observó que usar entre 0.5 y 3% de níquel es suficiente para retardar la transición de la fase anatasa-rutilo. Esto difiere con lo encontrado para el dopaje con indio, en donde la fase anatasa se estabiliza hasta un contenido del 5%. Esto es un indicativo de que la influencia de cada metal sobre la estructura de la titania es diferente. Se ha reportado que algunos metales como el cobre aceleran la cristalización del rutilo, mientras que el cerio y lantano la retrasan.40 De acuerdo con la tabla III, el dopaje de níquel influyó significativamente en la disminución del tamaño de cristal de la fase anatasa. Se detectó que el xerogel presenta los valores más pequeños de cristal de la fase anatasa, variando entre 5.1 a 6.4 nm. En los materiales tratados a 400ºC, se observa que conforme el contenido de níquel aumenta, el tamaño de cristal disminuye hasta 7.8 nm para un contenido de 6% de níquel. Para los materiales tratados a 600ºC, se observa que el menor tamaño de cristal de la fase anatasa (46 nm) se presenta con un contenido de 3% de níquel. La tendencia observada en estos materiales respecto al tamaño de cristal de la anatasa tiene el siguiente orden: TiO2-Ni 3% < TiO2-Ni 1.5% < TiO2-Ni 0.5% < TiO2-Ni 6% < TiO2-sin dopar. Los resultados de la tabla III, revelaron que no hay una tendencia en común respecto a la disminución 28 TiO2- 1.5%Ni TiO2- 3%Ni TiO2- 6%Ni Temperatura (ºC) Xerogel 400 600 Xerogel 400 600 Xerogel 400 600 Xerogel 400 600 Xerogel 400 600 Tamaño de Cristal (nm) Anatasa Rutilo (101) (110)* 6.4 ** 14.3 ** 69 51 6.3 ** 14.4 ** 49 ** 6.1 ** 11.7 ** 48 ** 5.5 ** 10.8 ** 46 ** 5.1 ** 7.8 ** 50 46 del tamaño de cristal en los materiales tratados a las diferentes temperaturas. Esta diferencia podría estar relacionada con las diversas fases cristalinas observadas, ya que a 400ºC se detectó solamente la presencia de la anatasa en todos los sólidos, mientras que a 600ºC se observaron las fases anatasa, rutilo y titanato de níquel en algunos casos. Sin embargo, lo que sí fue evidente es que mediante el dopaje con 0.5, 1.5 y 3% de níquel se logró evitar la transición de la fase anatasa-rutilo. De acuerdo con los resultados del tamaño de cristal, se observó que la presencia de níquel en un porcentaje mayor al 0.5% en la estructura de la titania evita el crecimiento de los cristales de la fase anatasa. El efecto anterior podría atribuirse a la introducción de iones Ni 2+ durante el proceso de síntesis, generando la modificación de la carga superficial de las partículas de TiO2 evitando su interacción. Otra posibilidad está asociada directamente con las propiedades fisicoquímicas del níquel (radio iónico, electronegatividad, número de coordinación), ya que se ha reportado que no todos los dopantes tienen la propiedad de retardar la cristalización del TiO2. Kubacka36 reportó que los iones de vanadio y niobio provocan un aumento en el tamaño cristal de la anatasa al incrementar la cantidad de dopante. Mientras que el dopaje con molibdeno y wolframio Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. provoca la disminución del tamaño de cristal conforme el contenido de dopante aumenta. En la figura 5, se presentan los espectros Raman de las muestras de TiO2 sin dopar, tratados a diferentes temperaturas. Para el xerogel, es posible observar cuatro de los 6 modos de vibración reportados para la anatasa a 637 (E•g), 523 (A1g), 390 (B1g) y 144 cm-1, indicando que se llevó a cabo el proceso de cristalización durante esta etapa. Además, el pico a 1,040 cm-1 se atribuyó a la presencia de NO3- del ácido nítrico, y desapareció a 400°C. Fig. 6. Análisis térmico (ATG/ATD) para la muestra de TiO2 sin dopar. Fig. 5. Espectros de Raman de TiO 2 libres de indio calentados a: (a) 70°C; (b) 400°C y (c) 600°C. El material tratado a 400°C presenta señales de mayor intensidad correspondientes a la fase anatasa. Además se puede distinguir una banda a 197 cm-1 asociada a otro modo de vibración de la anatasa (E•g). La fase bruquita fue apenas detectada y solamente un espectro amplificado muestra pequeños picos a 320-280 cm-1. Por último, en el material tratado a 600ºC se presentaron los modos de vibración a 610 (A1g), 445 (Eg) y 145 cm-1 (B1g) asignados a la estructura del rutilo. Dichos modos fueron más intensos que los correspondientes a la anatasa. Estos resultados indican que la transición de anatasa a una gran cantidad de rutilo ocurrió entre 400 y 600°C, al igual que lo observado en los resultados de DRX. Análisis Térmico (ATG/ATD) y análisis de infrarrojo (IR) del TiO2 En la figura 6 se presentan los resultados del ATG/ ATD de las muestras de titania sin dopar. En dicha Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 figura se puede observar un pico exotérmico a 540°C sin pérdida de peso, asociado con la transformación de la fase anatasa a rutilo para una gran cantidad de cristales. Además, en todos los materiales se observó una pérdida en peso ~20% en el intervalo de temperatura de 30 a 400ºC, la cual está relacionada con la evaporación de solventes y combustión de materia orgánica. Por otro lado, mediante el análisis de IR se corroboró los resultados del análisis térmico, ya que las bandas asociadas con los grupos orgánicos presentes en los xerogeles desaparecieron cuando se efectuó tratamiento térmico a 400ºC, observándose solamente la presencia de la banda correspondiente al enlace metal-oxígeno. ANÁLISIS TEXTURAL Materiales de TiO2 dopado con indio Los resultados de este análisis indicaron que el dopaje con indio influyó significativamente en las propiedades texturales de la titania. En específico, cuando los materiales fueron tratados a 600ºC, se observó que la isoterma de la titania sin dopar presentó características asociadas con un sólido no poroso. Mientras que, para la titania dopada con 1 y 5% de indio, las isotermas revelan una característica mesoporosa de los materiales. Estas diferencias también fueron observadas en los valores de área superficial presentados en la tabla IV. Respecto al análisis de distribución de tamaño de poro obtenido por el método BJH, se encontró que el radio de poro de los xerogeles fue menor a 15 Å. Mientras que para los materiales tratados a 400°C, el radio de poro fue de 20 a 30 Å aproximadamente. 29 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. Tabla IV. Área superficial (BET) obtenida de los diferentes materiales de titania. Muestras Área Superficial (BET) (m2/g) TiO2-xerogel 186 TiO2- 400° C 110 TiO2- 600° C 1.0 In(1%)/TiO2- xerogel 215 In(1%)/TiO2- 400 °C 140 In(1%)/TiO2- 600 °C 38 In(5%)/TiO2- xerogel 200 In(5%)/TiO2- 400 °C 197 In(5%)/TiO2- 600 °C 85 DETERMINACIÓN DE LA ENERGÍA DE BANDA PROHIBIDA, EG Materiales de TiO2 dopado con níquel En la tabla VI se presentan los valores de Eg para diferentes materiales. Como puede apreciarse, conforme la cantidad de níquel aumenta el valor de Eg disminuye, independientemente de la temperatura de tratamiento. La influencia directa de la presencia de níquel en la disminución del Eg del TiO2 es debido a la sustitución de átomos de Ti4+ por átomos de Ni2+ lo cual favorece la formación de vacancias de oxígeno.39,43 Tabla VI. Energía de banda prohibida (Eg) de los diferentes materiales de TiO2. Material El tratamiento a 600°C produjo materiales con radio de poro de 30 a 50 Å para la titania con indio, sin embargo los sólidos sin indio mostraron el menor tamaño de poro, característica de una estructura no porosa. Materiales de TiO2 dopado con níquel A diferencia de lo observado anteriormente para los materiales con indio, en el caso del dopaje con níquel no se encontró un efecto importante sobre las propiedades texturales, ver tabla V. Los materiales tratados a 400ºC, presentaron una estructura mesoporosa con valores de área superficial entre 86 y 95 m2/g. Además, se observó que en los materiales tratados a 600ºC su área disminuyó considerablemente, entre 15 y 24 m2/g, lo cual fue atribuido a la formación de aglomerados por efecto de la temperatura. Tabla V. Área superficial y tamaño de poro de los materiales de TiO2 con níquel tratados a 400ºC. Material ÁreaBET (m2/g) Tamaño de poro (nm) TiO2-sin dopar 86 8 TiO2-Ni(0.5) 93 8 TiO2-Ni(1.5) 87 12 TiO2-Ni(3) 95 12 TiO2-Ni(6) 89 7 30 400ºC 600ºC Eg (eV) TiO2 – sin dopar TiO2-Ni 0.5% 3.43 3.35 3.31 3.29 TiO2-Ni 1.5% 3.32 3.29 TiO2-Ni 3% TiO2-Ni 6% 3.31 3.13 3.26 3.09 PRUEBAS CATALÍTICAS Adsorción de óxido nítrico en TiO2 dopado con indio En la figura 7 se muestran los espectros DRIFTS de los materiales de TiO2. Dicha figura revela claramente que los compuestos de óxido de nitrógeno no interactúan con el material de titania sin dopar, mientras que para la titania con 5% de indio se observó una interacción muy fuerte. En los espectros del material In(5%)-TiO2-600°C (figura 7b), se encontraron cuatro señales localizadas a 1,615, 1,586, 1,288 y 1,251 cm-1. Los picos a 1,615 y 1,251 cm-1 correspondieron a la adsorción de nitrato en modo bidentado, mientras que las señales a 1,586 y 1,288 cm-1 se atribuyeron a la adsorción del óxido nítrico en modo de monodentado.44 Se observó que ambos modos de adsorción iniciaron a 50°C, pero su estabilidad disminuyó con el incremento de la temperatura. El compuesto bidentado fue más estable que el monodentado, cuyas señales no se observaron fácilmente a 200°C. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. Fig. 7. Espectro DRIFT durante la adsorción in situ de NO en materiales de TiO2, tratados a 600°C: (A) muestras sin contenido de indio; (B) muestras con contenido de indio (5%). (*) nitratos en forma de bidentato y (+) en forma de monodentato. Además se observaron otras señales atribuidas a diferentes modos de adsorción del óxido nítrico (NO). En particular, en el espectro registrado a 50°C, la banda ancha localizada alrededor de 1,480 cm-1 ha sido asociada al NO2 adsorbido en forma lineal. Estos picos fueron apenas detectados a altas temperaturas. En el caso de las muestras sin contenido de indio (figura 7a), los espectros no mostraron señales que indicaran la presencia de muestras adsorbidas de NO, concluyendo que la titania sin indio no tiene la capacidad de retener especies de NO. D E G R A D A C I Ó N F O TO C ATA L Í T I C A D E L COLORANTE ROJO ALIZARÍN S USANDO TIO2 DOPADO CON NÍQUEL Antes de realizar la evaluación fotocatalítica se efectuaron pruebas de adsorción variando la concentración del colorante y la cantidad de catalizador con el objetivo de determinar las condiciones óptimas para la reacción. Con esto se evaluó realmente la degradación del colorante y no solamente el fenómeno de adsorción. De acuerdo con los resultados, se observó que el fenómeno de adsorción fue menor empleando 50 mg del sólido catalizador y 60 ppm del colorante. Por lo cual se procedió a realizar las pruebas fotocatalíticas bajo dichas condiciones. En la figura 8 se presentan las curvas de degradación obtenidas para los materiales (a) TiO2-Ni(1.5), (b) TiO2-Ni(6) y (c) TiO2-sin dopar, calcinados a 400ºC. Los resultados indican un efecto Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Fig. 8. Curvas de degradación del RAS empleando los materiales: (a) TiO2-Ni(1.5), (b) TiO2-Ni(6) y (c) TiO2-sin dopar. positivo del níquel en la actividad fotocatalítica del TiO2 ya que el material sin dopar (c) presentó la más baja degradación. Cabe mencionar que el material comercial Degussa P-25 mostró una actividad menor que estos materiales. En la tabla VII se presentan los porcentajes de degradación usando los materiales tratados a 400ºC y 600ºC. En estos resultados se observó claramente una disminución considerable conforme el tratamiento térmico es mayor, lo cual está asociado directamente con el área superficial de dichos materiales. Analizando solamente los materiales tratados a 400ºC se puede notar un claro efecto debido al dopaje con níquel, lo cual indica que la sustitución de átomos de Ti4+ por átomos de Ni2+ permitió la formación de vacancias de oxígeno y, aunado a que el níquel actúa como aceptor de electrones, favoreció una mejor separación de las cargas hueco-electrón logrando mejorar la eficiencia fotocatalítica. Tabla VII. Degradación del rojo alizarín S, empleando materiales de TiO2 bajo diferentes temperaturas de tratamiento. Muestra TiO2-sin dopar TiO2-Ni(0.5) TiO2-Ni(1.5) TiO2-Ni(3) TiO2-Ni(6) % Degradación 400ºC 600ºC 59 15 70 20 82 32 74 22 78 26 31 �Estudio de las propiedades estructurales, texturales y catalíticas de TiO2 ... / Leticia M. Torres Martínez, et al. Se observó que el contenido óptimo de níquel es 1.5%, y que al dopar con un contenido mayor, la actividad disminuye debido a que el exceso del metal actúa como un centro de recombinación de cargas evitando que participen en la reacción de degradación. 21,29,30 Sin embargo, no se observó una tendencia clara para todas las concentraciones usadas, ya que la titania con 6% de níquel presentó menor actividad que el TiO2 con 1.5% de níquel, pero mayor a la del TiO2 con 3%. Por lo tanto, existe otro factor importante que influye directamente en la actividad fotocatalítica. De acuerdo con los resultados del tamaño de cristal, para la titania con 6 y 3% níquel los valores son 7.8 y 10.8 nm respectivamente, lo cual indica que un tamaño de cristal menor favorece la eficiencia para la degradación. Esto se debe a que en los materiales con menor tamaño de cristal, las cargas hueco-electrón migran más rápidamente hacia la superficie, evitando su pronta recombinación y por lo tanto participan de manera más eficiente en las reacciones de óxidoreducción. De acuerdo con lo discutido, el dopaje de TiO2 con níquel permitió aumentar considerablemente la actividad fotocatalítica debido principalmente al efecto de retardar el crecimiento de los cristales de la fase anatasa y a que el dopaje con el contenido óptimo de níquel minimiza la recombinación de las cargas hueco-electrón. CONCLUSIONES El dopaje de TiO2 con indio y níquel influyó directamente en la disminución del tamaño de cristal de la fase anatasa. Además, el dopaje con el contenido óptimo de indio (5%) y níquel (0.5 a 3%) provocó que la transición de la fase anatasa a rutilo se retarde. La presencia de indio en la estructura de la titania provocó un efecto importante para mejorar las propiedades texturales de los materiales, aumentando el área superficial y manteniendo la mesoporosidad. En los materiales de titania dopada con níquel se observó que la energía de banda prohibida disminuyó conforme el contenido de níquel fue mayor. El material de TiO2 con 5% de indio mostró mayor capacidad para adsorber óxido nítrico comparado con la titania sin indio. 32 La estabilización de la fase anatasa y la estructura mesoporosa del material conteniendo indio fueron los factores más importantes para adsorber las diferentes especies de óxido nítrico. En el caso del material de TiO2 con 1.5% de níquel éste presentó la mayor actividad fotocatalítica para la degradación del colorante rojo alizarín S. El contenido óptimo de níquel y el menor tamaño de cristal de la fase anatasa fueron los factores más importantes para mejorar significativamente la eficiencia de dicho material. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo económico brindado por la UANL, a través del proyecto PAICYT Clave IT176-09 y al CONACYT mediante el proyecto de Ciencia Básica CB-98740. REFERENCIAS 1. Akira Fujishima, Xintong Zhang, Donald A. Tryk. TiO2 photocatalysis and related surface phenomena. Surf. Sci. Rep., 2008, 63, 515-582. 2. Fang Han, Venkata Subba Rao Kambala, Madapusi Srinivasan, Dharmarajan Rajarathnam, Ravi Naidu. Tailored titanium dioxide photocatalysts for the degradation of organic dyes in wastewater treatment: A review. Appl. Catal., A, 2009, 359, 25-40. 3. Jacinto Sa, Cristina Alcaraz Aguera, Silvia Gross, James A. Anderson. Photocatalytic nitrate reduction over metal modified TiO2. Appl. Catal., B, 2009, 85, 192-200. 4. Yiseul Park, Wooyul Kim, Hyunwoong Park, Takashi Tachikawa, Tetsuro Majima, Wonyong Choi. Carbon-doped TiO 2 photocatalyst synthesized without using an external carbon precursor and the visible light activity. Appl. Catal., B, 2009, 91, 355-361. 5. 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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos Beatriz López-Walle, Edgar Reyes-Melo, Enrique López-Cuéllar Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL CIIDIT-UANL RESUMEN Un sistema mecatrónico se compone, entre otros elementos, de sensores y actuadores. Los sensores permiten detectar variables físicas del medio circundante, convirtiéndolas en señales eléctricas; en tanto, los actuadores generan movimientos o acciones específicas de acuerdo a la señal eléctrica aplicada. La creciente complejidad de los sistemas mecatrónicos demanda el desarrollo de sensores y actuadores cuyos materiales de fabricación sean capaces de realizar más de una función. Para el desarrollo o síntesis de materiales bifuncionales se suele combinar dos materiales con propiedades diferentes. El producto resultante se conoce como material compuesto o “compósito”. Cuando uno de estos materiales es orgánico, y el otro inorgánico, el sistema resultante se conoce como material híbrido. En este artículo se describen las principales características morfológicas y estructurales de estos últimos materiales, con el fin de diferenciarlos, particularizarlos y, principalmente, mostrar su aportación y aplicación en sistemas mecatrónicos. PALABRAS CLAVE Material híbrido, orgánico/inorgánico, sensores/actuadores, materiales multifuncionales. ABSTRACT A mechatronic system is composed, among different elements, by sensors and actuators. Sensors detect physical variables of the surroundings and transform them into electrical signals; actuators generate movements or specific actions according to the applied electrical signal. The increasing complexity of the mechatronic systems requires the development of sensors and actuators whose manufacturing materials should be able to perform more than only one function (multifunctional). For the development or synthesis of bifunctional materials (two functions), two materials with different properties are usually combined. The resulting product is known as composed material or “composite”. When one of these materials is organic and the other is inorganic, the resulting system is known as hybrid material. This article describes the main morphological and structural characteristics of hybrid materials, in order to differentiate, particularize and, principally, show their contribution and applications in mechatronic systems. KEYWORDS Hybrid material, organic/inorganic, sensors/actuators, multifunctional materials. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 35 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. INTRODUCCIÓN Los sistemas mecatrónicos se caracterizan por registrar señales con ayuda de sensores, procesar dichas señales, y emitir respuestas acordes a las mismas por medio de actuadores, ya sea generando movimientos u otras acciones muy específicas. Hoy en día, dichos sistemas son muy importantes para la mayoría de las actividades científicas y para una gran diversidad de procesos industriales.1-4 Los robots, las máquinas controladas digitalmente y los vehículos guiados automáticamente, entre otros, son sólo algunos ejemplos de sistemas mecatrónicos. La figura 1 muestra un brazo robótico (sistema mecatrónico) cuyos elementos constituyentes, mecanismos, sensores y actuadores, pueden emular los movimientos de un brazo humano cerca de la perfección.4 Fig. 1. Ejemplo de un sistema mecatrónico (brazo robótico).4 Las funciones de cada uno de los elementos en los sistemas mecatrónicos se coordinan de manera sinérgica mediante un sistema de control o software, el cual también forma parte del sistema mecatrónico. Los mecanismos son un conjunto de elementos rígidos o móviles unos respecto de otros, unidos entre sí mediante diferentes tipos de uniones llamados pares cinemáticos: pernos, uniones de contacto, pasadores, etc.. Su principal función es la transmisión 36 de movimientos y fuerzas, razón por la cual para su diseño suelen utilizarse materiales convencionales de tipo metálico, cerámico y/o polimérico. Por otra parte, los sensores son elementos con capacidad para detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación: temperatura, intensidad luminosa, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc., y transformarlas en variables eléctricas. Muy comúnmente, los sensores se conectan al sistema de control, aunque también suelen conectarse directamente a un elemento actuador. Finalmente, los actuadores: cilindros neumáticos e hidráulicos, motores eléctricos, electroválvulas, etc., transforman las señales o variables eléctricas provenientes de los sensores, dando inicio a un determinado tipo de movimiento o acción específica. Una característica muy importante en sensores y actuadores es su tiempo de respuesta, el cual se busca sea el menor posible, en el orden de fracciones de segundo. De lo anterior, podemos deducir que las funciones que llevan a cabo tanto los actuadores, como los sensores, son las más complejas y delicadas de todo el sistema mecatrónico. Dichas funciones deben ser exactas y precisas, razón por la cual los materiales de base para su construcción demandan ser bifuncionales o polifuncionales (materiales que pueden desarrollar más de una función), característica que a los materiales convencionales les es difícil ofrecer. Esto se refleja en el elevado costo que puede alcanzar un sistema mecatrónico como el mostrado en la figura 1. Sin embargo, se espera que con el acelerado avance que hoy en día tiene la ciencia e ingeniería de materiales, el desarrollo de dichos sistemas mecatrónicos, en un futuro no muy lejano, sea más rentable y realista. Ante este reto, se tiene la alternativa de combinar materiales con propiedades diferentes con el fin de obtener “materiales bi o polifuncionales”:5-10 por ejemplo, un material bifuncional que presente la elasticidad típica del caucho (material polimérico), pero con una conductividad eléctrica similar a la de los materiales metálicos. El producto que resulta de la combinación de dos o más materiales es una gama muy amplia de “novedosos materiales” que comúnmente se les conoce como materiales compuestos o “compósitos”. Cuando en los materiales a combinar al menos uno es de tipo orgánico, y Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. otro de tipo inorgánico, al sistema resultante se le conoce como material híbrido. Bajo esta óptica, un material híbrido deberá considerarse como un tipo de material compuesto. Sin embargo, como se verá más adelante, los materiales híbridos resultan ser mucho más que un material compuesto, ya que en la mayoría de los casos son polifuncionales, razón por la cual satisfacen mayormente los requerimientos para su aplicación en sistemas mecatrónicos. Por otra parte, es importante mencionar que los sistemas biológicos están constituidos de materiales híbridos, los cuales han sido sintetizados a través de sus rutas metabólicas, llegando a obtener materiales con propiedades que hasta hoy no es posible reproducir de manera precisa a nivel laboratorio. Este proceso de emular la estructura de los materiales biológicos se conoce como mimetización de materiales.11-13 Este artículo se enfoca en los materiales híbridos debido a su interés y utilidad en el desarrollo de sistemas mecatrónicos. El objetivo principal reside en describir de una manera clara y sencilla, cuáles son los aspectos estructurales y morfológicos que caracterizan a estos materiales. Lo anterior se considera fundamental para comprender la importante contribución de los materiales híbridos en el funcionamiento, y consecuente optimización, de un determinado sistema mecatrónico. ESTRUCTURA Y MORFOLOGÍA DE MATERIALES COMPUESTOS Y MATERIALES HÍBRIDOS Los materiales compuestos y materiales híbridos se caracterizan por tener una fase dispersa en una matriz o fase dispersante. La naturaleza de ambas fases, así como el tipo de interacción entre ellas, definen tanto a la estructura, como a la morfología de estos materiales, definiendo al mismo tiempo sus propiedades. Estructura y morfología pueden diferenciarse si se considera que cada una corresponde a una escala diferente de la distribución espacial de la fase dispersa en la matriz. Bajo este contexto, la estructura corresponde a una escala del tamaño de las interfaces entre fase dispersa y matriz, y está definida por las interacciones físicas y químicas que la conforman. En tanto, la morfología corresponde a una escala tal que permite identificar la manera en cómo se encuentran distribuidas las entidades de la fase dispersa (partículas, fibras, etc.) en la matriz. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Aunque muy comúnmente en la literatura se maneja de manera indistinta el término “material compuesto” y “material híbrido”, en opinión de los autores de este artículo existen diferencias importantes entre ambos, las cuales son función de su estructura y su morfología. En los materiales compuestos, por lo general, la morfología es tal que la fase dispersa es de un tamaño promedio mayor o igual al orden de algunas decenas de micrómetros. Además, su distribución espacial en la matriz no presenta un ordenamiento de largo alcance, considerándose en este caso como de largo alcance una distancia mayor al tamaño promedio de la fase dispersa. Un ejemplo típico de material compuesto, lo constituye una matriz polimérica que refuerza sus propiedades mecánicas con algún tipo de fibra o partícula que puede ser de tipo orgánico o inorgánico. En lo referente a la estructura de los materiales compuestos, ésta la constituyen fuerzas de Van der Waals y/o puentes de hidrógeno, cuyos valores energéticos de enlace son del orden de 15 kJ/mol o menos, y su radio de acción es menor o igual a 0.5 nm, por lo que las fases son separables mediante algún proceso físico (fusión por zonas, filtrado, centrifugación, etc.). A manera de ejemplo, la figura 2 muestra una imagen obtenida mediante microscopía electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) de la superficie de fractura de un material polimérico (nylon) reforzado con fibras de vidrio. En ella se distingue de manera clara la morfología de este material compuesto, la cual está constituida de una distribución aleatoria de las fibras de vidrio en la matriz polimérica de nylon. Fig. 2. Imagen obtenida mediante SEM de la superficie de fractura de un material compuesto (nylon reforzado con fibras de vidrio).14 37 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. En lo que respecta a los materiales híbridos, muy comúnmente la morfología es tal que la fase dispersa tiene tamaños inferiores al micrómetro, y la distribución de ésta puede ser carente de ordenamientos a gran distancia, o bien puede llegar a organizarse en niveles discretos en la matriz, dando lugar a materiales con una estructura jerárquica a escala molecular, nanoscópica, microscópica y macroscópica.6,14 En lo referente a la estructura de los materiales híbridos, las interacciones que constituyen sus interfaces no solamente son del tipo de Van der Waals o puentes de hidrógeno, también pueden presentarse enlaces covalentes, de coordinación o iónicos, los cuales cuentan con mayor energía (del orden de 400 kJ/mol). En la figura 3 se presenta un esquema de estas interacciones.6 A manera de ejemplo, la figura 4 muestra imágenes obtenidas mediante SEM a diferentes escalas de la morfología que puede llegar a tener un material híbrido de tipo biológico como la concha de nácar, también conocida como “madreperla”. Se trata de un material poroso pero resistente, que se encuentra en la concha de ciertos crustáceos. La estructura y morfología del nácar se caracterizan por combinar láminas de carbonato de calcio con una proteína Fig. 3. Diferentes tipos de interacciones que definen la estructura de los materiales híbridos. (matriz polimérica) que funciona como pegamento para la obtención de una estructura y morfología 3000 veces más resistente que el carbonato de calcio y la proteína por separado.15 En general, la polifuncionalidad y la eficiencia de los materiales híbridos se definen en gran parte por la naturaleza de sus interfaces y de la morfología que de ella se genera, por lo que resulta fundamental determinar el tipo de estructura y morfología de estos materiales. Esto a su vez permite clasificar a los materiales híbridos en dos clases importantes, las cuales se describen en la siguiente sección. C L A S I F I C A C I Ó N D E L O S M AT E R I A L E S HÍBRIDOS Tomando como criterio de base a los tipos de interacciones físicas y/o químicas que definen las interfaces en los materiales híbridos, éstos se clasifican en dos grandes grupos: materiales híbridos de clase I y materiales híbridos de clase II.6,16 En los de clase I, las interacciones en las interfaces son exclusivamente del tipo de puentes de hidrógeno o de Van der Waals, mientras que en los de clase II, las interacciones son de más alta energía, pudiendo presentarse también enlaces débiles. Tal como se puede observar en los esquemas de la figura 5, dependiendo de la naturaleza o del tamaño molecular de la fase dispersa, podemos tener dos casos para los materiales híbridos de clase I: i) Cuando la fase dispersa es de bajo peso molecular, ésta puede llegar a dispersarse en la matriz en forma de aglomerados de tamaño inferior a los micrómetros (mezcla íntima de dos materiales, figura 5(a)); ii) Cuando la fase dispersa es de tipo macromolecular, ésta se dispersa de una manera tal que se obtiene una morfología de redes interpenetradas (figura 5(b)). Fig. 4. Material híbrido concha de nácar (madreperla), imagen de SEM. 38 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. Materiales híbridos clase I (b) Redes interpenetradas. (a) Aglomerados. Materiales híbridos clase II (d) Redes poliméricas unidas mediante enlaces covalentes. Fig. 5. Esquemas de los materiales híbridos de clase I -(a) y (b)- y clase II -(c) y (d)-. (c) Bloques unidos mediante enlaces covalentes. Tabla I. Comparación de las propiedades generales o típicas de materiales orgánicos y materiales inorgánicos que comúnmente se utilizan como materia prima en la síntesis de materiales híbridos. Propiedades Naturaleza de los enlaces Temperatura de transición vítrea (Tg) Estabilidad térmica Densidad relativa Índice de refracción Propiedades mecánicas Hidrofobicidad Permeabilidad Propiedades electrónicas Procesabilidad Materiales orgánicos (Polímeros) • Covalente • Van der Waals • Puente de hidrógeno Baja (-120 a 200°C) Baja (<350-450°C) 0.9-1.2 1.2-1.6 • Elasticidad • Plasticidad • Dependiendo de la Tg, pueden presentar comportamiento cauchótico • Hidrofóbico • Permeabilidad a los gases Materiales inorgánicos (SiO2, óxidos metálicos de transición) • Iónico • Covalente-iónico Alta (>>200°C) Alta (>>100°C) 2.0-4.0 1.15-2.7 • Dureza • Tenacidad • Fragilidad • Hidrofílico • Baja permeabilidad a los gases • Entre aislante eléctrico y • Aislante eléctrico semiconductor • Propiedades redox • Propiedades redox • Propiedades magnéticas • Baja para polvos • Alta (moldeo, fundido, formación de • Alta para recubrimientos de película, control de viscosidad) tipo sol-gel Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 39 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. Para los materiales de clase II también es posible diferenciar dos casos similares a los de clase I, con la diferencia de que las interfaces están definidas también por enlaces de alta energía (ver figuras 5(c) y 5(d)). La naturaleza tanto de la fase dispersa, como la de la matriz, además del proceso de síntesis utilizado para la obtención del material híbrido define si un material híbrido es de clase I o de clase II. Es de suma importancia para el diseño de sistemas mecatrónicos, tomar en cuenta que los materiales híbridos más estables son los de clase II, por lo que bajo este contexto la utilización de los de clase I será muy limitada. Entre los procesos de síntesis más utilizados para la obtención de materiales híbridos se tienen los siguientes: sol-gel, coprecipitación, erosión iónica, etc.6,16 No es el objetivo de este trabajo describir a detalle cada uno de estos procesos de síntesis; sin embargo, es importante mencionar que una tendencia actual es la mimetización de materiales. En este sentido, la comunidad científica ha estado intentando mimetizar materiales biológicos que combinen fuerza y resistencia, como el nácar, o madreperla. Para mimetizar “la concha de nácar”, primero se construye una suspensión acuosa de óxido de aluminio,15 la cual se enfría de manera muy controlada permitiendo obtener micro-estructuras largas y delgadas, parecidas a ladrillos, tras la evaporación del agua mediante calor. Al repetir este proceso, se crea una estructura porosa de capas de óxido de aluminio que se conectan entre sí, semejante a la encontrada en el nácar natural. Después, para imitar la proteína que funciona como pegamento, se propone utilizar un polímero que rellene los huecos entre las distintas capas. Aunque los resultados obtenidos son muy alentadores, aún quedan muchas interrogantes por resolver, por lo que el proceso de mimetización de materiales se considera fundamental para el desarrollo de nuevos materiales híbridos. Por otra parte, el gran avance que se tiene hoy en día en lo referente a la síntesis de novedosos materiales con propiedades especiales como fotoluminiscencia,6,8 electroluminiscencia, 6,9,10 memoria de forma, 17 magneto-orgánicos,10 semiconducción,9 etc., abre aun más la posibilidad de síntesis de nuevos materiales híbridos polifuncionales.18 LA POLIFUNCIONALIDAD DE LOS MATERIALES HÍBRIDOS Las propiedades individuales que presentan por separado tanto la fase dispersa (inorgánica), como la matriz (orgánica), nos dan una idea de las propiedades o funciones que podría llegar a ofrecer un material híbrido, considerando que éste debe ser bi o polifuncional. Kickelbic G. resume de una manera muy clara (ver tabla I) las propiedades típicas de materiales orgánicos y materiales inorgánicos,6 las cuales deben ser tomadas en cuenta en el momento de llevar a cabo el proceso de síntesis de los materiales híbridos. Aunado a lo anterior, debemos considerar los avances que se tienen hoy en día en lo referente al desarrollo de los denominados materiales avanzados, los cuales pudiesen utilizarse como fase dispersa en el desarrollo de nuevos materiales híbridos, y que tendrían aplicaciones importantes en el desarrollo de nuevos sistemas mecatrónicos. La tabla II muestra diferentes posibles aplicaciones de algunos materiales Tabla II. Ejemplos de aplicaciones para diferentes alternativas de fase dispersa en los materiales híbridos. Matriz Fase dispersa Aleaciones metálicas con memoria de forma Aplicación del material híbrido obtenido Micropinzas, sensores de fuerza, motores DC.19,20,21 Micro-relevadores, microválvulas, motores AC-DC, microbombas.19,20,22 Diodos emisores de luz, transistores a efecto de campo, Materiales conductores de la electricidad fotodiodos, celdas solares, sensores de gas.6,23,24 Micro-espejos con reflejo variable y controlable, Materiales cerámicos bioreactores, liberadores de medicamento, microdiscos láser.6,18,25,26 Aparatos de ultrasonido intravascular (IVUS), monitoreo Materiales piezoeléctricos cardiaco, sensores táctiles.27,28,29,30 Materiales con propiedades magnéticas Polimérica 40 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. que se obtendrían combinando una matriz polimérica con diferentes alternativas de materiales avanzados que podemos encontrar en el mercado hoy en día. Diversas aplicaciones enunciadas en dicha tabla pueden ser elementos constitutivos de un sistema mecatrónico, tales como los motores, los fotodiodos, las microbombas, los diodos emisores de luz, los microrelevadores o las microválvulas, entre otros. Algunos otros casos, la aplicación ya constituye, por sí misma, un sistema mecatrónico; por ejemplo, los micro-espejos con reflejo variable y controlable o los aparatos de ultrasonido intravascular (IVUS). La información presentada en las tablas I y II muestra el enorme potencial que tiene el desarrollo de nuevos materiales híbridos. Sin embargo, el reto a vencer para la obtención de estos nuevos materiales se centra en el proceso de síntesis, ya que en la mayoría de los casos se requiere combinar materiales que no son compatibles mediante procesos de mezcla tradicionales. En este sentido, los avances científicos en la ingeniería de materiales permiten la disponibilidad de técnicas experimentales que permiten que dos componentes inherentemente incompatibles (por ejemplo, polímeros orgánicos y óxidos inorgánicos), se hagan compatibles por pre-mezcla de ambos a escala molecular antes de su conversión en un nuevo material. En la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), como parte de las actividades de investigación desarrolladas por el cuerpo académico consolidado de Síntesis y Caracterización de Materiales, se han sintetizado materiales híbridos magnéticos utilizando como matriz polímeros biocompatibles como la carboximetilcelulosa (CMC) o el quitosán, y como fase dispersa se han utilizado nanopartículas de óxido de hierro10 y nanopartículas de cobalto elemental (Co).31 La figura 6 muestra imágenes obtenidas mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés) del material híbrido constituido de nanopartículas cuasiesféricas de cobalto elemental en CMC. Los dos tipos de material híbrido desarrollados presentan propiedades de superparamagnetismo, por lo que las películas delgadas de estos materiales sin duda tendrán aplicaciones muy interesantes en el futuro desarrollo de sistemas mecatrónicos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Fig. 6. Nanopartículas de Co dispersas en CMC (imagen obtenida mediante TEM). CONCLUSIONES Los materiales híbridos son considerados como un tipo de material compuesto, sin embargo presentan diferencias fundamentales en su estructura y morfología. La fase dispersa de los materiales híbridos tiene un tamaño promedio inferior a algunas decenas de micrómetros; además, la distribución espacial de dicha fase dispersa en la matriz polimérica puede tener un ordenamiento jerarquizado o bien mostrar una morfología amorfa. La posible polifuncionalidad de un material híbrido es función de la naturaleza de su fase dispersa y de su matriz, así como del proceso de síntesis utilizado para su obtención. La polifuncionalidad en un material híbrido es un requisito indispensable para su utilización en el desarrollo de sistemas mecatrónicos y la consecuente optimización de estos últimos. 41 �Los materiales híbridos en el desarrollo de sistemas mecatrónicos / Beatriz López Walle, et al. AGRADECIMIENTOS Se agradece la participación del M.C. Juan Francisco Luna Martínez por su contribución al desarrollo del material híbrido de nanopartículas de óxido de hierro dispersas en una matriz polimérica de carboximetilcelulosa. Igualmente, se agradece al Dr. Alejandro Torres Castro por su amable colaboración para la obtención de las imágenes con el microscopio electrónico de barrido. BIBLIOGRAFÍA 1. Ulbrich H., Villgrattner T.; “Dynamics, control and optimization of mechatronic systems in theory and experiment”, Proceedings of International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics, 2010, vol. 1281, no. 1, pp. 372-373. 2. 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Con este modelo se comparan secuencias de operación de las cédulas de laminación y se determinaron cédulas de secuencia progresiva y de campana para el molino, manteniendo dentro de tolerancia el perfil de espesor y de la forma de la cinta de acero de tolerancia estricta. No sólo el reducir el número de pases de laminación permite optimizar, sino también el mantener una secuencia de operación progresiva y descendente optimiza la cédula de laminación conservando calidad y controlando el consumo de energía. PALABRAS CLAVE Cédulas de laminación en frío, perfil de cinta asimétrico, modelo matemático de laminación. ABSTRACT The aim of this research is the optimization and innovation of cold rolling reduction schedules for a Four-High Single-Stand reversing cold rolling mill through SAE 1006 asymmetric steel strips. First of all, it was developed a cold rolling model to obtain the roll force, bite angle, power, torque and other parameters. Working with the cold rolling model is possible to compare the sequence of the operation of the cold rolling reduction schedule (number and main features of passes) and describe the type of schedule, cold rolling progressive schedule and cold rolling bell-shaped schedule for the 4-Hi reversing mill with pay-off. The change of the speed and reduction percentage over the pass schedule affects the thickness and flatness profile but not only the number of passes of the schedule give the optimization, also a progressive sequence in the cold rolling reduction schedule gives the optimization and keep up a good flatness profile with an efficient energy control. KEYWORDS Cold rolling reduction schedules, asymmetric steel strips profile, rolling mathematic model. 44 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. INTRODUCCIÓN El proceso de transformado está compuesto por cinco etapas que dan forma a la cinta de acero, estos procesos son: 1. Línea de corte longitudinal, 2. Laminación en frío, en donde se centra el estudio, 3. Recocido, 4. Temple mecánico 5. Corte final. El proceso inicia en la línea de corte longitudinal con la división de los rollos maestros de 914 y 1,219 mm, en múltiplos de dos o tres cintas de acero en un ancho no mayor a los 711 mm; divididos de una forma tal que se desperdicie lo menos posible el material, y así que al momento de pasar al proceso de laminación en frío, se procesen los múltiplos en el molino reversible del tipo cuarto. El proceso de división longitudinal genera múltiplos compuestos de cintas que presentan un perfil del tipo asimétrico conocido como cuña, en dónde se obtienen cintas con un espesor mayor en uno de sus extremos laterales o cantos. La cuña es caracterizada y cuantificada mediante el uso de técnicas especiales, cómo es explicado más adelante de este documento. Este perfil acuñado de la cinta le da la principal diferencia a este proceso de laminación con respecto al convencional, el cual opera con un perfil de cinta casi rectangular. Debido a la importancia de la fuerza de separación en el consumo de energía durante la reducción en los pases de laminación, se desarrollaron cédulas de secuencia progresiva soportándose en un conjunto de herramientas; como el uso del modelo de laminación que predice la fuerza de separación, así como también de herramientas estadísticas para la medición del perfil de espesor, siendo el objetivo, el optimizar e innovar cédulas de laminación en frío para un molino reversible del tipo cuarto para cintas de acero SAE 1006 de tolerancia estricta con perfiles de forma asimétricos. Modelo mecánico de laminación en frío El modelo se desarrolla sobre la base de los conceptos matemáticos de Bland y Ford2 soportándose bajo el principio de Orowan.3 Se aplican varios principios en especial el cálculo del rodillo deformado, el cual está basado de la ecuación de Hitchkock.4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 El modelo inicialmente calcula parámetros como el diámetro del rodillo deformado, ángulo de contacto, potencia o consumo de energía durante el pase, velocidad de deformación y el coeficiente de fricción, éste último se calcula en base a la velocidad del molino. En el desarrollo del modelo de laminación es importante predecir la fuerza de separación, para lo cual se siguen aplicando los conceptos básicos de las teorías de metalurgia mecánica, basados en los criterios que predicen la cedencia en materiales dúctiles.5 En donde se conservan las siguientes suposiciones de Bland & Ford: 1. El arco de contacto es circular – no presenta deformación elástica de los rodillos. 2. El coeficiente de fricción es constante en todos los puntos del arco de contacto. 3. No existe expansión lateral, así que el proceso de laminación se puede considerar como un problema de deformación plana. 4. Las secciones verticales permanecen planas, por lo que la deformación es homogénea. 5. La velocidad periférica de los rodillos es constante. 6. La deformación elástica de la lámina es despreciable en comparación con la deformación plástica. 7. Se mantiene el criterio de cedencia de energía de distorsión, para deformación plana dada por la siguiente ecuación: σ1 −σ3 = 2 σ0 =σ′0 (1) 3 45 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. CÁLCULO DE LA FUERZA DE SEPARACIÓN Y PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DE LA MORDIDA DE LAMINACIÓN EN FRÍO Basados también en los conceptos anteriores, para el cálculo de la fuerza de separación, el modelo se ajustó a resultados industriales, considerando la potencia del molino de laminación en frío, parámetros geométricos de la mordida de laminación, dimensiones transversales de cintas de acero, grados de acero y las correspondientes curvas constitutivas del acero. Uno de los métodos de cálculo de fuerzas de separación o cargas de laminación en frío usa ecuaciones derivadas de la consideración de fuerzas desarrolladas en el área de contacto o mordida, propuesta por Bland y Ford. En la figura 1 el ancho del material es tomado como unidad, es visto que la fuerza normal “L” en AB debido a la presión “s” es: L = s ⋅ (AB ), Fig. 1. Representación esquemática del arco de contacto o mordida de laminación. La investigación involucra la aplicación de las siguientes ecuaciones basadas en la solución propuesta por Bland y Ford, el análisis de fricción por simplificación se apoya bajo la ecuación de Mójica y Garza, Arimura y coautores.6 (h − h ) r= 1 2 (2) h1 e� = 0.0356 VR r Dh1 σ0 = cte + Ar + Br + Cr + Dr + Er + Fr R ' =1+ CP0 R b (h1 − h2 ) ⎛ ⎞ H = H1 = 2 R ⋅tan−1 ⎜ R ⋅ϕ ⎟ h2 ⎝ h2 ⎠ 2 46 3 4 5 6 σ q0 = ⎛⎜1− 2 ⎞⎟ k (h h2 )eμH d ϕ+ (1−σ1 k1 ) k2 ⎠ ⎝ μ H −H k (h h1 )e ( 1 )d ϕ ∫ ( ∫ ) φn ∫ θ ∫ P0 = bR Área ∴Área = q0 d ϕ+ q0 d ϕ θ μ≅ 0.11−1.9X10−3 VR VR (m seg ) (7) ϕn (8) (9) (10) Construcción del modelo de laminación en frío La construcción sería de la siguiente manera, la cual permite escalonarlo y desarrollarlo en simple hoja de cálculo de Excel, como se muestra en la tabla I. CURVAS CONSTITUTIVAS La figura 2 muestra la curva constitutiva obtenida para el modelo de laminación en frío. Las curvas constitutivas del acero a analizar se elaboraron para el acero 1006, el cual tiene un uso mayor en el proceso de transformación de la planta. La tabla II, presenta diferentes grados de acero con sus características obtenidas durante el desarrollo de la cédula de laminación, en donde se seleccionaron varios rollos y al final de cada pase se cortaba una muestra con el espesor final del pase para llevar a cabo ensayos de tensión basados en la norma ASTM A370-07b,7 determinando sus propiedades mecánicas como son resistencia máxima, resistencia de cedencia, elongación del material y dureza superficial además de sus características dimensionales. (3) (4) (5) (6) Fig. 2. Gráfica constitutiva del acero 1006, para la elaboración del modelo de laminación. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. Los parámetros utilizados para elaborar la curva constitutiva fueron la resistencia de cedencia y el porcentaje de reducción acumulado durante los pases. Se ajustó una línea de tendencia a estos puntos para obtener una ecuación polinomial que es utilizada en el modelo. La ecuación obtenida de la curva constitutiva del acero 1006 para reducciones intermedias a tensión alta, en donde “r” representa la reducción. σ=−0.0149r 4 + 2.5769r 3 − 153.07r 2 + 4018.9r + 26193 (13) La curva constitutiva, importante para la determinación de la resistencia de constricción, se desarrolló para dos tipos de reducciones, reducciones de bajo porcentaje y reducciones para alto porcentaje de laminación o reducción en frío. CÉDULAS DE LAMINACIÓN Se definen como una secuencia de operación que está conformada de diferentes parámetros del molino laminador, como son la velocidad durante el pase, porcentaje de reducción, espesor inicial y final, fuerza de separación, área de contacto, etc. La figura 3, representa la secuencia de operación durante la cédula relacionando el porcentaje de reducción por pase, en donde no se aplica un control Tabla I.a. Desarrollo del modelo de laminación por medio de un análisis matemático basado en la solución de Bland & Ford mediante una descripción descendente propuesta por Ekelund. 1er Análisis de laminación sin rodillo de trabajo deformado. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 47 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. Tabla I.b. Desarrollo del modelo de laminación por medio de un análisis matemático basado en la solución de Bland & Ford mediante una descripción descendente propuesta por Ekelund. 2do. Análisis de laminación con rodillo de trabajo deformado. adecuado de la cédula (porcentaje de reducción) y sus parámetros de laminación. De acuerdo a este gráfico las reducciones durante el pase con porcentajes altos reflejan un comportamiento inestable de carga, afectando el perfil del espesor y por consiguiente repercutiendo en el consumo de energía, este punto en especial es de suma importancia para el desarrollo y caracterización de las cédulas de laminación. PERFIL DEL TIPO ASIMÉTRICO O CUÑA Es el término utilizado para evaluar la asimetría del perfil de la cinta de acero laminada. El término perfil de cuña describe la asimetría de la cinta de acero en términos cualitativos. 48 Fig. 3. Representación gráfica de las cédulas de laminación. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. La tabla II. Resultados de los ensayos de tensión desarrollados para la construcción de las curvas constitutivas de la cinta de acero SAE 1006. La cuña es una característica típica de los procesos de cinta estrecha de bajo carbono de tolerancia estricta, esto es debido a la capacidad de los molinos laminadores de ancho angosto regidos bajo la norma ASTM A109.8 Una cinta de acero se define como una lámina de acero de un ancho menor a los 610 mm (24.00”) y en un espesor de 0.2032 - 4.75 mm (0.008”- 0.187”) de tolerancia estricta dimensionalmente y en propiedades mecánicas. El método utilizado para cuantificación permite medir el perfil de cuña por cinta de una manera práctica, en dónde es posible identificar 3 zonas de la cinta a lo ancho: zona del centro, zona de la orilla y zona de caída de orilla, la figura 4 representa de una manera gráfica las zonas descritas para el ancho de la cinta de acero. La característica principal del método es medir o cuantificar la cuña de la cinta de acero lo cual denota un perfil de espesor asimétrico a lo ancho de la cinta, la cuña es descrita como la diferencia existente entre el espesor que se encuentra a 25 mm de la orilla de la cinta, vista la cinta de una manera frontal y la diferencia existente entre un extremo y otro dará la cuña de la cinta de acero. Como se puede ver en la figura 4 el perfil de cuña del lado del motor es identificado como el perfil de cinta que abarca el calibre central hc, el cual es menor que el espesor del lado de caída de orilla hl’ y mayor que el del lado del operador hl’’. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Fig. 4. Parámetros de medición de cuña. El perfil de cuña del lado del operador se identifica como el perfil de la cinta que abarca el calibre central hc y que es menor que la del lado del operador del hl’’ y mayor que el del lado del motor principal hl’. Cuña, este término da una definición cuantitativa de la asimetría de la pieza trabajada y es definida como la diferencia entre la orilla del motor principal y la orilla del lado del operador hl’ y hl’’.9 DESARROLLO EXPERIMENTAL El desarrollo se dividió en diferentes etapas: La primera se basó en la recopilación de información del molino laminador en frío reversible, verificando sus registros, capacidad máxima de operación, incluyendo la del mandril del desenrrollador, mandril de salida y de entrada y así como del motor principal, 49 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. la figura 5 describe las partes principales del molino laminador en frío. De la información recopilada se realizaron las primeras preguntas para llevar a cabo el desarrollo del modelo, esto permitió generar una cédula de laminación óptima; manteniendo calibre, calidad de forma, minimizando el consumo de energía e incrementando la productividad del molino, además de evitar vicios de operación. Las primeras preguntas que se establecen al generar cédulas de laminación son: 1. ¿Cuál es el número correcto de pases?, 2. ¿Cuál es la reducción que debe de realizarse en cada pase?, 3. ¿Cuál es la velocidad ideal de operación para espesores delgados o gruesos que permita mantener una variabilidad de espesor controlada? Con respecto al consumo de energía y a la productividad: 1. ¿Cuál es el consumo óptimo de energía por pase y total? y 2. ¿Cuál es el tiempo óptimo de operación? EVALUACIÓN DEL PERFIL DE ESPESOR Durante las prácticas de laminación se evaluaron diferentes tipos de cédulas con diferentes velocidades durante el pase, con el fin de investigar la variabilidad del espesor y así establecer velocidades óptimas de operación para un buen control del perfil de espesor de la lámina. La figura 6 compara la variabilidad del espesor durante el pase de laminación para las dos primeras cédulas de laminación propuestas para el desarrollo de la investigación; a partir de aquí se establecerá un estudio estadístico medido por medio de los Cpk10 para el concepto de variabilidad de espesor. El Cpk define el índice de capacidad del proceso real bajo 6σ, estableciendo un Cpk mínimo de 1.33. El Fig. 5. Dibujo superior partes principales así como capacidad de operación del molino de laminación en frío de cuatro rodillos reversible. b). Secuencia de operación de una cédula de laminación de tres pases. 50 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. Fig. 6. Comparativo de la variabilidad del espesor durante el pase para la cédula No. 1 o del tipo campana, número de rollo 0801516 y cédula No. 2, tipo progresiva, número de rollo 0801519. estudio se enfocó en mantener una dispersión mínima en la variabilidad del espesor con un Cpk lo más cercano a 2.0, con el propósito de mantener controlado un peso por área (gr/m2) en el acero estándar. Bajo este concepto las cintas de acero pueden tener aplicaciones especiales sobre todo al sector automotriz. CALIDAD SUPERFICIAL Durante la generación de cédulas y puesta en práctica de las mismas se evaluó la forma del material, lo que es planicidad medido en unidades I (UI), así como el porcentaje de inclinación de la ondulación, porcentaje de elongación, porcentaje de planicidad, las prácticas se llevaron a cabo de acuerdo a las normas ASTM A1030/A1030M-05.11 El método estándar para la evaluación de planicidad está estandarizado bajo la norma ASTM antes mencionada. En ella se define las UI como una relación existente entre la longitud de onda y la altura de la onda en una sección estandarizada de la lámina. Cada término está descrito de una manera amplia en dicha norma. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La variable en especial que movía el modelo de laminación es el porcentaje de reducción en frío, el cual se fijó en base práctica asumiendo un porcentaje máximo para el primer pase de alrededor 30%, el cual está sujeto a la capacidad del motor de entrada y se ve reflejado en el modelo por la potencia utilizada. Posteriormente se realizan porcentajes menores al primero y así gradualmente, excluyendo a la cédula de tipo campana que presenta una reducción máxima Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 en el segundo pase pero la cual está sujeta a la capacidad de operación del motor principal. Se comparan los resultados de dos cédulas de laminación propuestas tomándolas como ejemplo. De estos resultados se define que la cédula de tipo progresiva experimenta un arco de contacto mayor con respecto a la cédula del tipo campana en el primer pase, debido a que la fuerza de separación, en conjunto con el porcentaje de reducción durante el pase será mayor afectando el área de contacto proporcionalmente. Se mantiene un coeficiente de fricción constante durante el pase manteniendo una longitud del arco de contacto mayor con respecto a la cédula de campana, para la cédula de tipo campana en el segundo pase el área de contacto es mayor debido al incremento del porcentaje de reducción en conjunto con la fuerza de separación; en este caso, siendo mayor la longitud del arco de contacto, debido a los incrementos de fuerza y reducción, ver figura 7. Fig. 7. Comparativo del análisis del diagrama de presión con respecto a la cédula del tipo 1 ó de campana y la cédula de tipo 2 denominada progresiva. a) Diagrama de presión, sobreponiendo la cédula del tipo campana (No.1) sobre la cédula progresiva (No.2), comparando el comportamiento del ángulo y longitud del arco de contacto. PERFIL DE ESPESOR Durante las diferentes etapas de la investigación se describieron cédulas mediante una representación gráfica, con el propósito de mantener una distribución de carga uniforme durante el pase, al apoyarse con los valores predichos por el modelo. El desarrollo de las cédulas permite trabajar con la mejor distribución de potencia utilizada para laminación, y la manera de lograr reducir el consumo de energía es distribuyendo los porcentajes de reducción durante la secuencia 51 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. de pases respetando límites de carga para cada reducción, en la práctica repercute sobre la operación de laminación al momento de que el operador describe el comportamiento del molino con un menor esfuerzo de laminación durante la reducción. En la figura 8a), se plasman las representaciones gráficas de dos cédulas de laminación en donde se pone en práctica la investigación, además una redistribución de la reducción empleada durante los pases y la carga de laminación empleada, se registran valores del modelo predicho en cuanto potencia utilizada de laminación. La reducción de potencia se obtuvo debido a la redistribución de los porcentajes de reducción durante el pase en conjunto con carga empleada. El perfil del espesor se mantiene satisfactoriamente y presenta una dispersión debajo de los límites de control, la figura 8b) y c), plasma estos resultados. COMPORTAMIENTO DE LA PLANICIDAD Los resultados que se obtuvieron en este estudio fueron satisfactorios, demuestran que las cédulas desarrolladas permiten mantener la forma y calidad del material. Una regla fundamental es mantener criterios de calidad desde el inicio, es decir la corona para los rodillos de trabajo, materia prima de buenas condiciones, geometría de laminación adecuada para el pase, la velocidad de operación estándar y estable, diámetro de rodillos de trabajo ideal para el espesor adecuado, lubricación del material constante y con su concentración dentro de tolerancia. Manteniendo todos estos parámetros dentro de las tolerancias permisibles es entonces posible obtener resultados satisfactorios de forma. Cuando se desarrollan cédulas de laminación con el fin de buscar forma y calidad superficial, lo que se busca es mantener una longitud de la ondulación de cresta a cresta lo más larga posible y, por consiguiente, manteniendo oscilaciones de baja altura. PERFILES ASIMÉTRICOS – CUÑA Se realizó primeramente la medición de este parámetro a diferentes números de cintas de acero, abarcando diferentes números de cédulas de laminación, y dando una aplicación especial a las dos últimas cédulas de laminación generadas (en especial a la cédula número 88), en las cuales se investiga el 52 Fig. 8. Cédulas de laminación en frío que experimentaron diferente pendiente de laminación durante la generación de la cédula de laminación. a). Comparativo de cédula número 87 con respecto a la cédula número 88, comparativo con respecto a eficiencia (J/tonm) y potencia (kJ/seg). comportamiento del espesor así como la relación de corona o el perfil del espesor a lo ancho de la cinta. De acuerdo a la figura 9 incisos a) y b) se puede ver que los perfiles de la cinta entran de forma asimétrica y con la aplicación de la cédula progresiva es posible recuperar el material, tanto en ambas cédulas aplicadas, se obtuvo un buen perfil del espesor de salida recuperando la simetría, pasando de una relación de corona de 1.5 a 0.71 completamente Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. El uso del modelo permite obtener un control estricto de calibre, al mismo tiempo optimiza las cédulas de laminación a partir de los porcentajes de reducción durante los pases de una manera progresiva. La optimización de la fuerza de separación y predicción de la misma permite reducir la potencia y con esto no sólo reduce el número de pases, sino que controla el consumo de energía durante la operación. La comprobación del modelo permitió generar 88 cédulas de laminación en frío, con las que se procesaron más de 1,500 toneladas de cinta de acero. El uso de estas cédulas resultó en la mejora de la tolerancia del espesor y forma, repercutiendo en las líneas de galvanizado y pintado al cumplir con las estrictas tolerancias, especificaciones de forma y calibre en estas líneas. Fig. 9. Representación gráfica del perfil de corona para cintas de acero 1006 de las cédulas de laminación número 88, a) Comportamiento de la acuña para los números de rollo 0807103 1P, 0807103 5P, b) Comportamiento de la cuña para los números de rollo 0806346 1P, 0806346 6P. recuperado y una cuña que pasó de 0.04 a 0.01 mm en esta cédula. Estas pruebas demuestran que es posible corregir o controlar la cuña que presentan las cintas de acero desde el inicio del proceso por medio de prácticas de laminación. La cédula progresiva es una de la más efectiva en este tipo de producción debido a que es posible recuperar después del primer pase la forma ideal de la cinta. CONCLUSIONES Aplicar un porcentaje alto desde el inicio permite recuperar adecuadamente las características de forma de la cinta de acero laminada en frío grado 1006 mediante el uso de un molino laminador en frío reversible de cuatro rodillos. Se establecieron cédulas de reducción progresivas que permiten obtener un perfil de espesor consistente con baja planicidad en cintas de acero de banda asimétrica. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 AGRADECIMIENTOS A la empresa Villacero por el tiempo, apoyo y a la UANL área de Posgrado de FIME. LISTADO DE SÍMBOLOS s Presión radial. N Fuerza friccional. Nh Componente horizontal de la fuerza friccional. L Fuerza normal. Lh Componente horizontal de la Fuerza normal. μ Coeficiente de fricción promedio. A,B y C Puntos de sección en el área de contacto. ø Ángulo que abarca del punto de salida al diferencial analizado. øn Ángulo en el punto neutro de la mordida de laminación. σ1 Esfuerzo axial de tensión del desenrrollador. σ2 Esfuerzo axial de tensión del enrollador. R Radio del rodillo de trabajo sin deformar. F Fuerza horizontal. f Esfuerzo principal a lo largo de la línea de laminación. w Esfuerzo principal en dirección transversal (no se muestra en figura 1). h1 Espesor de entrada del producto o de la cinta. 53 �Optimización de cédulas de laminación en frío para molino reversible del tipo cuarto / Oscar Francisco Villarreal Vera, et al. h2 Espesor de salida del producto o de la cinta. hn Espesor del producto o de la cinta en el plano neutro. θ Ángulo de contacto de la mordida de laminación. r Reducción del material. ė Velocidad de deformación en 1/s. D Diámetro del rodillo VR Velocidad de operación del molino de laminación. σyt Resistencia a la cedencia bajo carga de tensión. k=σc Resistencia de cedencia bajo compresión de constricción a deformación plana homogénea. σc Esfuerzo de constricción. R’ Radio del rodillo de trabajo deformado. C Constante basada en el módulo de elasticidad del material del rodillo. b Ancho del material o cinta de acero laminada en frío. Po Fuerza de separación (fuerza vertical). h Espesor del producto o de la cinta en cualquier punto del arco de contacto. H Expresión matemática en función del radio de rodillo y espesor del material reducido. H1 Expresión matemática en función del radio de rodillo y espesor del material reducido en el plano de entrada. H2 Expresión matemática en función del radio de rodillo y espesor del material reducido en el plano de salida. Hn Expresión matemática en función del radio de rodillo y espesor del material reducido en el plano neutro. q0 Presión vertical en el área de contacto. k1 Resistencia a la cedencia bajo compresión de constricción a deformación plana homogénea en el plano de entrada. k2 Resistencia a la cedencia bajo compresión de constricción a deformación plana homogénea en el plano de salida. k Resistencia de cedencia bajo compresión homogénea. qt Esfuerzo principal en dirección vertical. L Longitud arco de contacto. 54 %r Porcentaje de reducción en frío. hc Espesor central. hI’ Espesor del lado de caída de orilla. hI’’ Espesor del lado del operador. hI’ Espesor del lado del motor principal. UI Índice de planicidad (unidades de UI). Cpk Índice de capacidad del proceso real REFERENCIAS 1. SAE J403, Chemical Compositions of SAE Carbon Steels. The Engineering Society for Advancing Mobility Land Sea Air and Space. Rev. Nov. 2001. 2. Eustace C. Larke, AM.I. Mech. 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SPC-3, Statistical Process Control (SPC), Automotive Industry Action Group (AIAG), Second Edition 2005. 11. ASTM A1030/A1030M-05, Measuring Flatness Characteristics of Steel Sheet Products. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar Gilberto Lorenzo Martínez Luna CIC-IPN lluna@cic.ipn.mx RESUMEN Recientemente gracias a la computación ha surgido la minería de datos, la cual consiste de algoritmos que extraen “conocimiento” de grandes bases de datos que acumulan la historia de las actividades de las organizaciones. El conocimiento tiene como finalidad prevenir a los responsables de tomar decisiones sobre situaciones interesantes, anomalías, e incluso amenazas no detectadas con anticipación. Los llamados “mineros” son auxiliares indispensables para la dirección de cualquier organización. PALABRAS CLAVE Sistemas de información, bases de datos, minería de datos, computación, administracion de proyectos y personas, planeación de sistemas de información estratégicos. ABSTRACT Thanks to computer science recently has emerged the field of data mining which consists of algorithms that extract “knowledge” of large databases which contain the history of the activities of organizations. Such knowledge has the finality of preventing to the decision makers about interesting situations, anomalies, and even threats that were not detected early. The so-called “miners” are indispensable aids for the head of any organization. KEYWORDS Information systems, databases, data mining, computing, project and people management, strategic information systems planning. Artículo publicado en la Revista Ciencia, Vol. 62, No. 3, correspondiente a julsep 2011. Reproducido con autorización de la Academia Mexicana de Ciencias y revisado por el autor. INTRODUCCIÓN Las instituciones y empresas privadas coleccionan bastante información (ventas, clientes, cobros, pacientes, tratamientos, estudiantes, calificaciones, fenómenos meteorológicos, etcétera, según su giro), aprovechando que las computadoras y los discos de almacenamiento se han abaratado, y las comunicaciones son también baratas y confiables. Esta información reside en bases de datos operacionales, llamadas así porque con ellas se lleva a cabo la labor sustantiva de las organizaciones: envío de mercancía a clientes, registro de estudiantes, tratamiento a pacientes, cobranza, entre otros. Posteriormente la información se depura y sumariza (resume) para transferirla a bases de datos conocidas como bodegas de datos. Son “fotografías” periódicas (trimestrales, digamos) del estado de la empresa. Aquí se lleva a cabo la labor Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 55 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna estratégica de la misma: averiguar qué pasa en ella. ¿Qué productos se venden significativamente menos? ¿Ha habido un auge inesperado de deserciones de las carreras en las ciencias sociales? ¿El aumento de la inversión en perforación de nuevos pozos no guarda proporción con la disminución de las reservas probables y probadas de hidrocarburos? Ésta es la zona de las decisiones estratégicas, y los sistemas usados para ellas se conocen como Sistemas de Apoyo a la Toma de Decisiones. Estos sistemas muestran al funcionario los indicadores principales del estado de la empresa (en el último bimestre, digamos). El funcionario indaga o averigua situaciones que él cree son de interés o preocupación. El sistema contesta con datos y gráficas para que aquél pueda tomar decisiones. Aunque el directivo o gerente tiene la experiencia necesaria, a menudo (por falta de tiempo, o porque no se le ocurrió) no mira situaciones que están tomando rumbos interesantes, peligrosos quizá. Así, ciertas decisiones importantes pueden ser soslayadas, ignoradas, o tomarse ya muy tarde. Se pueden así desperdiciar oportunidades o admitirse riesgos indeseables. Recientemente, a partir del auxilio de la computación ha surgido la minería de datos, en auxilio del directivo que toma decisiones. En las bodegas de datos se colocan “mineros”, algoritmos que buscan tendencias, anomalías, desviaciones o situaciones interesantes pero desconocidas, y otros eventos importantes. Estos mineros auxilian al directivo al mando del timón de la institución a mantener el mejor rumbo posible. Utilizan, además de las bases de datos, la inteligencia artificial (procedimientos para hallar grupos en situaciones similares, clasificar eventos nuevos en categorías conocidas, etcétera) y la estadística. Pero a diferencia de esta última, que toma una muestra de los datos y la estudia, la minería de datos estudia todos los datos. Mientras más datos se analicen, más precisa es, y su poder de detección y predicción aumenta. En este artículo hablaremos de los mineros. En un mundo globalizado, donde es importante saber lo que ocurre en el entorno de la institución, en su contexto, los mineros son auxiliares indispensables para el ejecutivo de una empresa bien organizada. Para que los mineros trabajen bien, la empresa debe: 56 a) Tener registros operacionales que apoyen sus trabajos cotidianos, sus funciones sustantivas. b) “Fotografiar” periódicamente estos registros, resumiéndolos (sumarizándolos), en “instantáneas trimestrales” que forman parte de la bodega de datos. c) Crear y depurar sus mineros de datos, haciéndolos trabajar exhaustivamente sobre la bodega de datos. En los primeros tres apartados de este artículo abordaremos estos aspectos. Finalmente, en el cuarto y final, daremos ejemplos de mineros creados y usados en México. LA OPERACIÓN COTIDIANA DE LA EMPRESA ¿De dónde proviene el mar de datos? Todas las organizaciones y empresas coleccionan y administran datos de su interés relacionados con personas, procesos u otro tipo de actividades para las cuales fueron creadas. Los más comunes son los relacionados con ventas de productos o servicios, empleados, pacientes o con clientes, o tan sofisticados como los que usa una organización dedicada a pronosticar el clima, o en actividades muy especializadas, como la detección de fraudes en el consumo de energía eléctrica. Las colecciones se pueden almacenar en discos de gran capacidad, que es ya posible comprar y tener en el hogar, y que pueden ser del tamaño de la palma de la mano o menos. Para darnos una idea de su capacidad, pueden almacenar el número del Registro Federal de Contribuyentes (RFC) y la edad de cada uno de los habitantes de la República Mexicana, para lo cual basta un disco con capacidad de almacenamiento de un terabyte (1012 bytes). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna El uso del mar de datos que surte al océano En general estas colecciones tienen dos principales tipos de usos o aplicaciones: a) El primer uso es en aplicaciones conocidas como “procesamiento de transacciones en línea“ (OLTP, por sus siglas en inglés). En este tipo de aplicaciones, las transacciones sirven para adicionar más información, realizando operaciones sobre uno o algunos datos de su interés, datos que también pueden ser borrados o modificados. Estas transacciones se llevan a cabo diariamente. (ver el artículo “La información es poder… sobre todo si está en una base de datos”, de Hugo César Coyote, en la revista Ciencia, Vol. 62, No. 3). Ejemplos de adición de nuevos datos es el registro de nuevas ventas o nuevos clientes; ejemplos de modificaciones a ellos es la disminución del saldo de las deudas por pago de los deudores, o cuando se incrementa la deuda por compras con tarjeta de crédito; y ejemplos de borrado es cuando ya no es necesario almacenar datos de clientes que ya no compran, de deudas ya pagadas, de calificaciones de alumnos que ya terminaron sus estudios en una escuela, de inventarios de años anteriores, o de ventas diarias de años anteriores, entre otras situaciones. Como muestra, en la tabla I se indican números aproximados de transacciones que administran algunas empresas a nivel nacional en México. b) Al paso del tiempo, los datos de las aplicaciones OLTP se transfieren, con una serie de procesos conocidos como extracción, transformación y limpieza a colecciones llamadas bodegas de datos, donde su segundo uso es el análisis; ya sea con el procesamiento analítico en línea (OLAP, por sus siglas en inglés, OnLine Analytical Processing), o la minería de datos. Ambos análisis se caracterizan por utilizar un gran número de datos de interés (caso contrario de las OLTP) que se generaron a través de varios días, meses o años, de acuerdo con el interés de la organización. A este uso se le conoce como “bodegas de datos para tomar decisiones estratégicas”. En la tabla II se dan valores aproximados del número de datos que se almacenan por varios años en una bodega de datos. ¿Cómo trabaja el análisis OLAP? En las bodegas, los datos se organizan en lo que se conoce como cubo de datos, cuyos componentes principales son las variables de análisis conocidas como dimensiones, y la variable numérica a revisar llamada hecho o medida. Tabla II. Ejemplo de historial de datos almacenados en una bodega de datos. Empresa Transacciones Anuales 820.8 millones consumos y pagos 374.4 millones de servicios y pagos 264 millones de compras 120 millones de consultas 3.840 millones de calificaciones CFE Telmex Comercial Mexicana IMSS IPN 10 años 8,208 millones 3,744 millones 2,640 millones 1,200 millones 38,400 millones Tabla I. Ejemplo de transacciones que almacenan algunas bases de datos. Empresa Dato de Interés Año Transacciones mensuales en millones Transacciones anuales (millones) CFE Clientes 34.2 millones 2010 Consumo-Pago 68.4 820.8 Telmex Líneas 15.6 millones 3er. Trm 2010 Servicio-Pago 31.2 374.4 2008 Compras 22 264 2010 Consulta externa 10.2 120 2010 Calificaciones de cuatro materias 0.640 (seis evaluaciones) 3.840 Comercial Mexicana IMSS IPN Productos 70,000 Pacientes 44,693,474 Estudiantes 160,000 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Otras transacciones Llamadas en un trimestre 4,900 millones 57 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna Un ejemplo de un cubo de datos con cuatro dimensiones y una medida a analizar puede verse en la tabla III, y la figura 1 muestra una representación gráfica. Las operaciones que aquí se realizan son principalmente conteos de datos, sumas de sus ventas o su producción y otras operaciones como saber el máximo o mínimo o promedio en un periodo de tiempo. Cuando se hace lo anterior, se dice que se desarrolla el análisis OLAP, y el resultado sirve como base para tomar decisiones, pues se revisa el comportamiento de interés. Tabla III. Ejemplo de cubo de datos para analizar consumos de energía. Dimensión/ Valor 1. Medidor 2. Tarifa 3. División 4. Mes Medición: Consumo Descripción Tipos de tarifas en la Republica Mexicana División geográfica propia de CFE 12 por año Consumo Valores por dimensión 34x106 Aproximadamente más de 100 13 crecer; otra gráfica que muestre sumatorias (sumas) de producción de derivados de petróleo en dos años podría indicar si la producción se mantiene en los dos años; otra gráfica con las sumatorias de nacimientos contra muertes por año en un periodo de 55 años podría indicar cuándo habrá una coincidencia de ambas (muertes y nacimientos). El análisis OLAP, con el historial de las actividades que han realizado los generadores de los datos, se realiza de manera manual, y dirigida por quien está al frente de la computadora revisando los cubos. LA MINERÍA DE DATOS AL AUXILIO DEL ALTO EJECUTIVO La minería de datos se especializa en realizar estas tareas con ayuda de una computadora, apoyándose en un modelo de trabajo o proceso que se ha construido con la secuencia que se indica en la figura 2. En esta sección nos concentraremos en la etapa de minería de datos. 12 Más de 34x1010 consumos en un año Fig. 2. Fases del proceso de Descubrimiento en Bases de Datos. Fig. 1. Representación gráfica del cubo con solo tres dimensiones para analizar consumos de energía. Los análisis se visualizan en gráficas, en las que se pueden inferir situaciones de interés. Por ejemplo, en un conteo de pérdidas en varios meses, una gráfica podría mostrar que es una tendencia a 58 ¿Cómo trabaja la minería de datos? Para detectar situaciones interesantes y anomalías (desviaciones de lo previsto), el software que lleva a cabo minería de datos se vale de varias técnicas y procedimientos (“algoritmos”). Algunos son: • Umbrales: si tenemos un registro periódico (diario, semanal, etc.) de alguna variable de interés (las ventas de cierto producto, digamos) podemos fijarles un máximo “tolerado”, arriba del cual nos interesa detectar excesos, y un mínimo “permitido”, abajo del cual deseamos que el minero nos informe. El algoritmo observa Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna • • • • • las ventas conforme pasan los días, y cuando detecta un valor más allá de los límites o umbrales fijados, nos avisa. Para no distraernos con “picos” pasajeros, podemos programar al minero para que nos avise si hay más de tres picos consecutivos (en tres semanas seguidas, por ejemplo). Tendencias: este algoritmo observa si de una semana a la siguiente la variable observada (las ventas, en nuestro ejemplo) tiene un crecimiento o disminución considerable (del 15% o más, digamos). Nos avisa de oportunidades que hay que aprovechar, o de problemas que debemos resolver. También se le puede pedir que sólo nos avise de los aumentos que ocurren en tres periodos de tiempo consecutivos, o si estos aumentos ocurren en establecimientos geográficamente cercanos (lo que significa que la tendencia se observa en toda una zona). Franja de normalidad: como a menudo la variable que estamos observando tiene un comportamiento estacional (por ejemplo, en época de frío se vende menos helado que en la de calor), en vez de establecer cotas superiores e inferiores, podemos decirle al minero que nos informe cuando la variable de interés se salga de una “franja de normalidad” establecida, tomando en cuenta, digamos, cómo se comportó esa variable (ese fenómeno que estamos observando) durante el año pasado. Comportamiento errático: quizá nos interese que el minero nos informe de épocas (o de zonas del territorio, o de productos) en que el comportamiento no siga una tendencia definida, es decir, registre tumbos, suba o baje. En este caso, el minero comparará varios valores semanales consecutivos. Máximos: ¿qué productos se venden más?, ¿en qué temporadas se venden más productos de ferretería?, ¿en qué zonas se venden más desodorantes para hombre? Un minero que sistemáticamente barra las ventas y detecte máximos podrá contestar preguntas de este tipo. Igualmente sucede con los valores mínimos: algo que se venda poco, una carrera en un instituto que tenga pocos egresados, una enfermedad que ya casi no ocurre, etcétera. Patrones frecuentes: “cada vez que alguien compra leche, compra pan”; es una regla que, de ser cierta, establece que (leche, pan) es un patrón Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 frecuente. Para que un patrón sea frecuente, sus componentes deben serlo (si pan es un producto poco comprado, entonces no puede ser miembro de ningún par de productos frecuentes). Los patrones frecuentes deben tener un soporte (el porcentaje de comprobantes de compra del supermercado donde se compró leche y pan) mínimo, digamos 6% de los comprobantes. Podría ser que el patrón frecuente (leche, pan) fuera parte de otro patrón frecuente más extenso, digamos (leche, pan, arroz). Para determinar los patrones frecuentes, el minero comienza examinando todos los comprobantes para saber cuáles son los ítems (productos individuales) frecuentes. Como a menudo los datos a examinar son voluminosos, no caben en la memoria principal de la computadora, y es necesario que el minero maneje cuidadosamente los accesos (lecturas) al disco, para no desperdiciar tiempo. Una vez detectados los patrones frecuentes, es relativamente fácil detectar los pares de patrones frecuentes, y de ellos ver cuáles son los tríos de patrones frecuentes, etcétera. • Reglas de asociación: una vez determinado un patrón frecuente, por ejemplo (leche, pan, arroz), sería interesante para el minero descubrir cuál producto causa que los otros sean comprados. Por ejemplo, ¿quién compra leche, compra también pan y arroz? En este caso, leche → pan, arroz. Pero pudiera ser que quien compra arroz y leche compra también pan. En este caso, arroz, leche →pan. Éstas se llaman reglas de asociación, útiles para determinar causa y efecto. Para que una regla de asociación sea establecida como tal, se requiere que la regla rebase cierta confianza mínima. Por ejemplo, la confianza de la regla leche →pan, arroz es el porcentaje de los clientes que, habiendo comprado leche, efectivamente también compraron pan y arroz. Como hay muchas reglas posibles a ensayar, el minero tiene que efectuar esos ensayos en un orden cuidadosamente establecido, a fin de no desperdiciar tiempo de máquina. • Cúmulos (clusters): dados todos los clientes de una cadena de establecimientos (o todos los pacientes de un conjunto de hospitales), usando técnicas de agrupación se pueden agrupar o clasificar a los clientes en, digamos, seis categorías o cúmulos, que nos representan a 59 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna clientes con propiedades parecidas entre sí, pero distintas a los pertenecientes a otros cúmulos. Hay otros métodos, omitidos aquí por brevedad. Así, usando la estadística, las bases de datos y la inteligencia artificial, los mineros van descubriendo automáticamente situaciones interesantes en un mar de datos. A diferencia de la estadística, que examina una muestra (una pequeña porción) de los datos para inferir características de todos los datos, el minero examina todos los datos. Éstos a menudo son muchos, por lo que, como hemos dicho, debe efectuar sus lecturas de disco y sus procedimientos en memoria con cierto orden, a fin de no desperdiciar tiempo. El análisis mediante minería de datos se lleva a cabo con dos actividades para obtener conocimiento no conocido: a). Describir en detalle a los generadores de datos. b). Predecir su comportamiento en su entorno; todo esto utilizando la historia almacenada en la bodega de datos. La descripción en detalle se hace a partir de una revisión exhaustiva de toda la información disponible, revisión que también permite conocer a los generadores de datos en cada momento. Y conocer el comportamiento de los generadores puede ayudar a las personas que toman decisiones a identificar futuras situaciones deseadas o no deseadas, aun con datos faltantes, y poder indicar el valor de estos con cierta certidumbre. El conocimiento obtenido puede ayudar a los ejecutivos en objetivos como los siguientes: • Mejorar los servicios o productos que se ofrecen. Esto es posible si se registra en la bodega el detalle de la respuesta a la compra por parte de los clientes al haber cambios en los productos o servicios, en cuanto a si se incrementa o se disminuye la venta. De estos resultados se puede aprender. • Evitar situaciones no deseadas, como la de perder clientes en servicios contratados. Estas situaciones se pueden prevenir, ya que se tiene el historial de la facturación de un servicio contratado, como el teléfono, al igual que los clientes que tienen el antecedente de que se han quejado por el servicio, los periodos de tiempo en que su número de llamadas decrece, y los que han cancelado su contrato en condiciones 60 similares. También se debe tener datos de clientes que se han logrado retener y con qué estrategias se logró, al igual que el costo de cada estrategia. Se busca retener clientes, dado que es más barato mantenerlos que ganar nuevos clientes. • No manufacturar productos que en un futuro ya no se venderán. Se pueden predecir cambios en los gustos de los consumidores, dado que con el historial de ventas se detectan las características de los productos que se dejan de vender. • Detectar productos de temporada. Una tienda comercial vende sus productos y registra la fecha de venta. Al revisar sus ventas por largos periodos, puede saber con precisión el intervalo de fechas en que algunos de estos productos tienen un alto volumen de ventas, y con esta información tomar una serie de decisiones alrededor de este comportamiento: cuáles productos comprar y ofrecer, cuándo pedir los productos para tenerlos disponibles, qué cantidad solicitar y almacenar para esas ventas con el fin de no tener sobrantes, realizar la publicidad apropiada para su venta, y en qué lugares ofrecer los productos o servicios. • Conocer productos o servicios que se pueden vender en forma conjunta. Al revisar el historial de las ventas se identificarán los productos que coinciden en su venta conjunta, y con las estadísticas se seleccionarán los conjuntos de productos que coinciden en alto porcentaje, definido por el usuario interesado. EJEMPLOS DE MINEROS Y SUS APLICACIONES Conviene dar algunos ejemplos que nos ilustren para qué sirven y cómo pueden ayudar los mineros a la toma de decisiones estratégicas y a mediano plazo. Usaremos trabajos realizados en el Centro de Investigación en Computación. Localizar tendencias de consumo a través del tiempo tomando como ejemplos a PEMEX y la Comisión Federal de Electricidad (CFE), en estas empresas es importante saber cómo se realiza el consumo de derivados del petróleo o de energía eléctrica a través del tiempo en el país. Para Pemex, en qué lugares se tiene un consumo similar de cierto derivado a través del tiempo, y así planear la distribución de este hidrocarburo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna Para CFE, saber esto le servirá para preparar la fuente generadora de energía con tiempo, generalmente con ayuda del agua de ríos o presas, dado que la energía hidroeléctrica es más barata que la generada por otros medios, como la termoeléctrica o la nuclear. El Centro de Investigación en Computación (CIC) del IPN construyó una herramienta llamada Sistema de Minería de Datos, módulo de ANASIN (conjunto de herramientas para realizar análisis), que puede tomar como fuente los consumos del derivado de gasolina por centro de distribución, en qué periodos se realizaron, o los consumos de energía eléctrica por zonas, con mediciones mensuales a través de varios años para reconocer algunos patrones o tendencias de consumo de energía. Con este sistema se puede seleccionar un patrón o tendencia (crecimiento, decrecimiento, constante o variada) con los valores de interés (consumos, en este ejemplo) a través de varios lapsos (días, semanas, meses, entre otros). Los programas del módulo ANASIN revisan en forma exhaustiva el cubo de datos, como el de la figura 1, y terminan su trabajo regresando ya sea un reporte o una serie de gráficas con los espacios de tiempo donde se cumple el tipo de tendencia buscado. Por ejemplo, las gasolineras con los periodos donde hay un crecimiento cuatrimestral continuo en su consumo del derivado (figura 3). El conocimiento de las características de las áreas con el tipo consumo localizado las deduce el usuario (las del sur de la República, o las del norte, por ejemplo). Localizar medidores de consumo de energía clasificados como malos medidores Para la tarea de identificar o clasificar malos medidores de energía se construyó un conjunto de programas con el nombre de “clasificadores”, también del módulo de ANASIN, que pueden tomar como fuente las mediciones de los consumos mensuales de energía para realizar las siguientes tres fases: 1. Con un conjunto de medidores de energía eléctrica y sus características (tipo, edad, número de hilos, tipo de negocio, cantidad de consumo, tipo de medición, entre otras), donde se indica quiénes realizan tanto una mala medición (ya sea en forma intencionada o no) como quienes realizan una buena medición, los programas aprenden a reconocer estas situaciones, regresando varios resultados; entre ellos, una estadística similar a la de la figura 4. La mala medición posiblemente es un fraude en el consumo. 2. Después, con otro conjunto de medidores y sus características, donde algunos realizan una mala y otros una buena medición del consumo, pero sin indicar a los programas la clasificación de la medición (buena o mala), estos programas, tomando como referencia la fase 1, deben indicar qué medidores realizaban una buena o una mala medición. Según el número de aciertos, se podía calificar la eficiencia de estos programas. El resultado de la eficiencia depende del conjunto Fig. 3. Presentación de patrones solicitados y localizados. Fig. 4. Resultados de clasificar un conjunto de objetos sin clases. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 61 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna dado en la fase 1, así que se puede mejorar ésta si se cambia el conjunto, hasta que el usuario quede satisfecho. 3. Ya con otro conjunto de medidores, sin saber si éstos realizan una mala o buena medición del consumo, y también tomando como referencia la fase 1, los programas producen una estadística de cuántos medidores realizan una buena o una mala medición, además del conocimiento para identificar los medidores (como se ilustra en la figura 4). Esta identificación puede tomarse como referencia para que los empleados de la empresa corroboren la situación de posible fraude en el consumo de energía, visitando la instalación del medidor. Tener una herramienta con un menor error que la creencia humana al visitar un medidor que pudiera estar realizando malas mediciones se refleja en una menor inversión de tiempo, dinero y personas asociadas a esta tarea. Como imaginará el lector, la utilidad de esta actividad es disminuir el esfuerzo y tiempo para detectar y clasificar estas situaciones, además de usar un menor número de recursos físicos (personas, transporte y planeación de las visitas). Las decisiones de mantener o corregir esta situación dependían ya de la dueña de los datos. Herramienta para localizar comportamientos complejos predefinidos Otra herramienta construida es Antecumem (Análisis Temporal en Cubos de datos en Memoria), la cual permite localizar algunos análisis predefinidos en diferentes ambientes de datos. En ésta el cubo de datos puede tener n dimensiones di y el valor numérico de interés con el cual obtener el agregado derivado (ejemplos: sumar ventas o contar productos). Q es la consulta que define un subcubo, vi es el valor en la i-ésima dimensión, Ri un intervalo en la i-ésima dimensión y S(C) es una suma de valores en el subcubo C. Los análisis predefinidos abarcan algunas de las consultas más frecuentes de operaciones en cubos de datos sin usar jerarquías; preguntas como “localizar los productos que más bajaron sus ventas en dos temporadas” o “localizar los productos de temporada en verano” . 62 A continuación se mencionan algunos de los análisis predefinidos más comunes: 1. Puntual: localizar valor del hecho en valores por cada una de las di: Q(v1, v2, …, vn). 2. Con sólo intervalos o rangos: se tiene un subcubo de datos definido por rangos para cada una de las di, del cual se obtendrá una suma. S(C)=Q(R1, R2,…Rn) 3. De eficiencia entre dos cubos: calcula un porcentaje de incremento o decremento en dos subcubos de datos, E=100((S(C2) /S(C1))-1). 4. De eficiencia grupal: eficiencia de un conjunto de elementos de una dimensión entre dos subcubos de cada elemento, Ei=100((S(Ci,2) /S(Ci,1))-1), donde i son cada uno de los elementos de la dimensión de interés. 5. Sobre conservación/pérdida: permite localizar elementos en una dimensión entre dos subcubos que se conservan o pierden una posición entre los mejores o peores, puede variarse el tiempo (para comparar períodos) u otra dimensión. 6. De temporalidad: igual que pregunta anterior, pero se trata de más de dos subcubos, si varían las unidades del tiempo, serán períodos de tiempo más largos (días, semanas, meses, años, entre otros). 7. De búsqueda de tendencias en elementos de una dimensión: localiza los elementos que tienen un comportamiento específico en un número de períodos o momentos continuos de tiempo. A una pregunta de temporalidad como “Se desea saber cuáles productos en el inervalo de [5003,000] fueron los mejores en el año de 1998 y se conservaron entre los 10 primeros en las ventas en el año de 1999 en todos los clientes y en todas las promociones”, Antecumem responde indicando el tiempo que tardó, cuantos y que productos se mantuvieron, y que resultados numéricos contribuyeron a la respuesta. Otra pregunta de tendencia como “Se desea saber cuáles productos en elintervalo de [500-3,000] fueron de los diez mejores durante tres meses consecutivos a partir de febrero en 1998, es decir se conservaron entre los diez primeros en las ventas para todos los clientes y en todas las promociones”. Antecumem responde nuevamente indicando el tiempo que tardó, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Minería de datos: Cómo hallar una aguja en un pajar / Gilberto Lorenzo Martínez Luna y cuántos y qué productos se mantuvieron con la tendencia especificada. Por separado se tendría que revisar los valores en esos lapsos de tiempo para corroborar el resultado. Al igual que las herramientas anteriores, la Minería de Datos realiza una revisión exhaustiva en los datos para hallar el conocimiento deseado, pero queda la tarea de que esta la valida el usuario. El futuro de estas herramientas está en tratar de facilitar los dos tipos de análisis de datos, pero agregando las técnicas del área de estudio conocida como “visualización de la información”. Para mayor información consultar www.kdnuggets.com y http://conferences.computer.org/infovis/. El lector puede consultar una amplia variedad de ejemplos de herramientas de minería de datos y de OLAP tanto comerciales como de acceso libre en la página www. kdnuggets.com Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 BIBLIOGRAFÍA Chaomei, Chen (2006), Visualization information, beyond the horizon, Londres, Springer. Chen, Z. (2001), Intelligent data warehousing, Boca Raton, CRC Press. 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Witten, Ian H., Frank Kaufmann y Morgan Kaufmann (2005), Data mining: practical machine learning tools and techniques, 2ª ed., edición de Jim Gray, San Francisco, California, Morgan Kaufmann Publishers (The Morgan Kaufmann series in Data Management Systems). 63 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos Nicolás González Fonseca, Jesús de León Morales Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL nicolasgzz@gmail.com; drjleon@gmail.com RESUMEN El retraso en sistemas teleoperados es uno de los problemas más importantes en control y para disminuir sus efectos negativos se han implementado diversas técnicas. Una de las opciones más interesantes para los investigadores en el área de control es el uso de control en modos deslizantes. Más importante aún es la combinación de las técnicas de modos deslizantes con los controles basados en impedancia, la cual permite disminuir el ‘chattering’ asociado con el funcionamiento normal de modos deslizantes. El uso de observadores ha sido analizado ampliamente en la literatura, sin embargo en muy pocos casos se aborda el caso no lineal. Este trabajo presenta un nuevo esquema de control de sistema de teleoperación de modos deslizantes basado en impedancia. Además se proponen dos posibles observadores que evitarían el uso de sensores de velocidad en el sistema esclavo, reduciendo costos y las dimensiones del control. La comparación del observador super twisting con el Lyapunov-Krasovskii es una de las aportaciones más importantes de este trabajo. PALABRAS CLAVE Teleoperación, control, retardos, impedancia, deslizantes. ABSTRACT Delay in teleoperatorated systems is one of the most important problems in control, and for reducing its effects; several techniques have been implemented. One of the most interesting options for the researchers working on control is the application of sliding mode control. It is even more important the combination of control of sliding mode with impedance based controls, which allows the reduction of chattering, associated to normal functioning of sliding controls. The use of observers has been widely reviewed in literature, however, non linearity is considered in very few cases nonlinear observers has been proposed to be used in teleoperation, specially considering time delayed. This paper presents a new scheme for a teleoperation control system of sliding mode based on impedance. Besides two possible observers which would avoid use of high speed sensors in the slave system, reducing costs and control dimensions. The comparison of the super-twisting observer with the Lyuapunov-Krasovskii one, is one of the main contributions of this work. KEYWORDS Teleoperation, control, delays, impedance, sliding. 64 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. INTRODUCCIÓN Recientemente ha habido gran interés por el estudio de los sistemas que presentan retardos en el tiempo. Muchos sistemas físicos muestran este tipo de fenómeno, por ejemplo en comunicaciones, la transmisión de datos está siempre acompañada de un retardo, así mismo ocurre en sistemas biológicos. El efecto de los retardos en el tiempo en un sistema no lineal en lazo cerrado puede provocar inestabilidades en éste; y por este motivo es importante realizar estudios de estos sistemas bajo los efectos del retardo en el tiempo. Los retardos en el tiempo se pueden presentar tanto en el propio estado (las variables internas del sistema) como en las entradas del sistema, y pueden provocar comportamientos complejos, tales como: oscilaciones, inestabilidad, y mal desempeño, entre otros. Por ejemplo un pequeño retardo podría desestabilizar un sistema, mientras que uno más grande podría estabilizar otros. Un retardo que aparece en el estado de un sistema no lineal podría generar un comportamiento caótico, mientras que un sistema caótico podría ser estabilizado con un retardo en la salida del sistema. Por lo tanto, el estudio de los efectos de los retardos en el tiempo en un sistema dinámico es de gran importancia porque permitirá entender el comportamiento dinámico de un sistema y diseñar estrategias de control que mejoren el desempeño.1 Los retardos en un sistema no lineal se pueden presentar ya sea en la entrada del sistema o en el estado. Un problema particular donde se aprecian los efectos de los retardos en el tiempo es en los teleoperadores. Un teleoperador es una máquina que permite mover, medir y manipular objetos a distancia. Por lo general está constituido de sensores y dispositivos que permiten su manipulación y/o movilidad, además de un dispositivo de comunicación entre el proceso a manipular y el operador, los cuales se encuentran físicamente separados a una distancia considerable. 2 La manipulación a distancia se logra mediante un manipulador controlado por un operador, llamado el sistema maestro, denotado por rm, este provee los comandos o acciones que se deben ejecutar en el proceso, el cual es denominado sistema esclavo, y denotado por re (ver figura 1). Si el sistema Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Fig. 1. Modelo de teleoperador de dos puertos. esclavo posee sensores, entonces puede transmitir o retroalimentar información del estado del entorno remoto al sistema maestro, y en tal caso se dice que el teleoperador es bilateral. La comunicación entre el sistema maestro y el sistema esclavo permite aplicar el control sobre el entorno remoto, sin embargo esta misma comunicación puede generar inestabilidad debido a la presencia de retardos en la comunicación o en la transferencia de información. En la figura 1 se muestra la descripción general de un teleoperador bilateral (de dos canales), donde los sistemas maestro y esclavo se pueden agrupar en un solo elemento. El problema de la inestabilidad debida a los retardos constantes en el tiempo en un sistema no lineal retroalimentado ha sido resuelto en,3 donde se derivó un esquema de compensación de retardos constantes en el tiempo, el cual garantiza la estabilidad del sistema. Sin embargo, no mucho se ha podido desarrollar para un sistema con retardos variables en el tiempo, y en tales casos en su mayoría para sistemas lineales,4,5 y 6 Este problema de inestabilidad en la presencia de retardos ha supuesto un limitante en el uso de algunas tecnologías útiles en teleoperación, tales como Internet.7 Actualmente, la red de Internet ha sido ampliamente utilizada como medio de comunicación, ya que se encuentra accesible para todo tipo de usuario y prácticamente no tiene limitantes en cuanto a la distancia del dispositivo a teleoperar. Los dispositivos a teleoperar (figura 2) pueden ser muy diversos pero en estos casos se hará referencia a brazos mecánicos con un comportamiento dinámico similar a un sistema masa-resorte. ANTECEDENTES El problema del retardo en el tiempo en sistemas no lineales ha sido tratado mediante diferentes técnicas y métodos, entre los cuales se encuentran los siguientes: 65 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. Nuevas arquitecturas de comunicación. Anderson y Spong3 propusieron una nueva arquitectura de comunicación, la cual está basada en la teoría dispersión. En esta arquitectura se representa al teleoperador como esquemas conectados en serie de uno y dos puertos, con un flujo de esfuerzo que se intercambia entre cada uno de los puertos. La relación entre las fuerzas y las velocidades de todos los puertos es entonces representada por una matriz híbrida, la cual cumple con la definición de operador de dispersión. Por otro lado, en este esquema se garantiza la pasividad de dicho sistema. Posteriormente, Niemeyer y Slotine8 desarrollaron un método para caracterizar los retardos en el tiempo cuando estos son constantes. Esto se logró mediante la transmisión de una combinación de señales de onda desde el sistema maestro rm, luego obteniendo las señales en el sistema esclavo (figura 2). Utilizando estas herramientas se logra recuperar las señales de onda original con un retardo que garantiza una conexión sin perdidas en el teleoperador. Fig. 2. Algunos dispositivos que podrían utilizarse en teleoperación. Análisis de Impedancias. En el contexto de líneas de transmisión, es bien conocido que si la carga al final de la línea tiene una diferente impedancia que la impedancia característica de la línea de transmisión, entonces ocurre una reflexión de onda. En teleoperación, tal reflexión disminuye el desempeño del sistema. Esto lleva a la introducción de los conceptos de compatibilidad de impedancias. La compatibilidad de impedancias fue abordada por Hogan en,9 y el trabajó sobre la compatibilidad de impedancia robusta basada en un modelo de la impedancia deseada y diseñando un control de modo deslizante fue presentado por Cho y Park en.10 66 Uso de observadores para compensar retardos. Brady y Tarn11 estudiaron el problema del retardo variable en el tiempo y diseñaron un observador para estimar el retardo y el estado del sistema en un aplicación de Internet. Por otro lado, aunque de manera similar, Munir y Book12 usaron un Filtro de Kalman y un observador para predecir las variables de onda y compensar los retardos utilizando los resultados obtenidos en3 y aprovechando la pasividad del sistema. Controladores aplicados a sistemas con retardos. Sano et al.13 diseñaron un controlador H∞ para estabilizar el teleoperador para un retardo en el tiempo constante. En14 se muestra un controlador adaptable que tiene el mismo efecto en un teleoperador unilateral o bilateral. Además en15 se considera un esquema adaptable que permite trabajar con incertidumbres paramétricas. Se ha desarrollado un control óptimo combinado con la ecuación funcional de Bellman en16 la cual es válida para un sistema con retardos. La teoría de control de modos deslizantes también ha sido analizada para sistemas con retardos, ante la presencia de un sistema con retardo en el estado el procedimiento es similar al aplicado a un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias, este se muestra en.17 Por otro lado en18 y 19 es introducido el control con retardo en el tiempo, una técnica que introduce voluntariamente un pequeño retardo en el diseño del control con la finalidad de reducir el efecto de perturbaciones. Control de seguimiento adaptable. Con esta técnica se aborda el problema principal de la teleoperación bilateral el cual es, garantizar la estabilidad mientras el esclavo es capaz de efectuar un adecuado seguimiento del maestro. Bajo la suposición que el operador pasivo y el ambiente remoto son pasivos en tal caso la estabilidad del sistema completo está asegurada.3,8 Sin embargo, en la mayoría de las aproximaciones basadas en scattering es imposible asegurar el seguimiento de la posición. Esquemas tipo PD que son capaces de superar este problema se pueden encontrar en4,20,21 CONTROL DE IMPEDANCIA PARA SISTEMA MAESTRO En muchas tareas de teleoperación, los robots manipulados frecuentemente interactúan con su Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. ambiente remoto. Cualquier fuerza de contacto excesiva entre el robot y el ambiente puede dañar el sistema, por lo que esta situación debe ser evitada. Debido a esto, a pesar de lo exacto que pueda ser un buen control de seguimiento es muy importante desempeñarlo con seguridad. En este campo es bien sabido que un control de impedancia, el cual controla la relación entre la fuerza aplicada y la velocidad del actuador en el maestro, es adecuado para este tipo de objetivos en un sistema teleoperado. Considere que las siguientes ecuaciones diferenciales representan las dinámicas de los sistemas maestro y esclavo en un sistema teleoperado: mm �� xm + bm x�m = fh + um (1) ms �� xs + bs x�s = us − fe (2) Donde x i representa la posición, y ẋ i, ẍ i la velocidad y la aceleración respectivamente; ui es el torque generado por el control; mi y bi representan los coeficientes de la masa y de fricción respectivamente, con i=m,s denotando maestro y esclavo; fh es la fuerza aplicada en el maestro por el operador humano, entendiéndose como la señal de referencia; y fe es la fuerza reflejada en el esclavo por el ambiente remoto. Este esquema de teleoperación bilateral puede ser representado también por el diagrama de la figura 3 donde la posición y la fuerza del maestro son transmitidas al esclavo y la fuerza de contacto del esclavo es enviada al maestro a través del canal de comunicación con un retardo T2. Durante todo el análisis de este trabajo se asume que el retardo tiene un valor constante. Es importante aclarar este punto ya que los retardos que varían en función del tiempo tienen otro tipo de implicaciones en sistemas teleoperados. Como se percibe, en este canal de comunicación existe un retardo, de manera que la Fig. 3. Esquema de señales con retardo para Teleoperación bilateral. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 relación de las señales está dada por las siguientes ecuaciones: xmd (t ):= xm (t −T1 ) (3) d x�m (t ):= x�m (t −T1 ) (4) fhd (t ):= fh (t −T1 ) f d e (5) (t ):= fe (t −T2 ) (6) Donde x , x� y f son la posición, la velocidad del maestro, y la fuerza ejercida por un operador humano respectivamente, las cuales son transmitidas al esclavo a través de un canal de comunicación; f_e^d es la fuerza externa en el esclavo transmitida a través del maestro; T1 es un retardo de tiempo de la señal que fluye desde el maestro al esclavo, y T2 es el retardo en la dirección opuesta. Se asume razonablemente que la fuerza exógena, es decir la fuerza que el operador humano aplica al sistema maestro está acotada por arriba. Además, no se considera expresión matemática alguna que modele el comportamiento del operador humano. Otras suposiciones importantes tienen que ver con el canal de comunicación. En este caso asumimos que no hay pérdidas en los paquetes de transmisión, por lo que se puede decir que no habrá espacios vacíos en cada instante de muestreo. Esto significa que los controladores siempre tendrán datos disponibles en su respectivo instante de muestreo. Se asume que el tiempo de muestreo TS es el mismo en el maestro y el esclavo y además que los paquetes de información no llegan en desorden, como se ve en la figura 4. Las señales retardadas al salir del canal de comunicación son escaladas dependiendo de los requerimientos de la teleoperación. Usando coeficientes de escalamiento, la posición y la velocidad quedan de la siguiente manera: d m d m d h xs = k p xmd (7) f h = k f f ed (8) Fig. 4. Esquema de señales con retardo T 1 para teleoperación bilateral. 67 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. Donde kp y kf son factores que escalan la posición y la fuerza respectivamente. Reescribiendo la ecuación diferencial (1) del sistema maestro en la forma de variables de estados, se obtiene las siguientes ecuaciones. x�m1 = xm 2 (9) x�m 2 = − bm 1 1 xm 2 + um + fh mm mm mm (10) De manera análoga se reescribe la ecuación (2) para el sistema esclavo: x�s1 = xs 2 (11) x�s 2 = − bs 1 1 xs 2 + us − fe ms ms ms Donde mm , bm , km > 0 son la inercia, el factor de amortiguamiento y de rigidez respectivamente, de una impedancia deseada. Sustituyendo esta ecuación en la ecuación diferencial del sistema maestro (1), el error en la impedancia en lazo cerrado se muestra como mm f h − k f f ed −bm x�m − km xm mm ( ) (14) Es decir, aplicando el control um el sistema maestro se comporta con la dinámica deseada por el operador dada por la ecuación de impedancia deseada. Se puede ver como el control en el maestro impone una dinámica deseada, entre la velocidad del maestro y la combinación de la fuerza del operador humano y de la fuerza retardada de contacto.9 CONTROL MODOS DESLIZANTES BASADO EN IMPEDANCIA PARA SISTEMA ESCLAVO Bajo un criterio similar, se considera el diseño del control en el esclavo para producir una impedancia deseada considerando la fuerza de contacto y que sea robusto a un tiempo de retardo desconocido. El control se diseña como un control de modos deslizantes de alta orden. Para este fin se considera 68 ⋅⋅ ⋅ ms x� s + bs x� s + kx�s : = − f e (15) Donde ms , bs , k s > 0 son la inercia, el factor de amortiguamiento y de rigidez, y �� x�s : = �� xs − k p �� xmd , x��s : = x�s − k p x�md , x�s : = xs − k p xmd son los errores de seguimiento para la aceleración, la velocidad y la posición respectivamente. Como el interés es obtener la ecuación anterior (15) en lazo cerrado, entonces se entiende que la superficie deslizante es la siguiente ⋅⋅ (12) Con el control de impedancia es posible establecer la impedancia deseada entre la fuerza del humano y la fuerza externa (la fuerza de contacto en el ambiente). Suponga que la dinámica que se desea imponer en el maestro está dada por: mm �� xm + bm x�m + km xm = f h − k f f ed (13) um =− f h + bm x�m + la impedancia deseada en el esclavo como: ⋅ I e = ms x� s + bs x� s + k x�s + f e = 0 (16) Ahora se puede definir el error extendido de la siguiente manera t ts 1 ⎡ Ω= ⎢ I e (t )dt + ki ∫∫sign (I e (t ))dt ds ms ⎣∫0 00 ⎤ ⎥ (17) ⎦ Donde ki>0 es la ganancia del modo deslizante. Sustituyendo estas dos ecuaciones, e integrando, el resultado del error es el siguiente t ⋅ Ω = x� s + bs 1 ⎡ ks x�s + f e ⎤⎦ dt + x�s + m� ms m� s ∫0 ⎣ ki ms ts ∫∫sign (I (t ))dt ds (18) e 00 El control para el sistema esclavo us tiene por lo tanto la siguiente forma us = − ms mm ms ⎛ ⋅ t ⎜ bs x� s + k s x�s + f e + ki ∫sign (I e (t ms ⎝ ( 0 ⎞ ))dt ⎟ + ⎠ ) k p f hd − k f f edd − bm x�md − km xmd + f e + bs x�s − k g Ω (19) Donde f edd = f e (t − 2T ) , el índice dd se refiere a la señal con un doble retardo 2T , k g > 0 , y sign(∙) es la función signo. El término k g Ω se ha agregado para asegurar estabilidad6 su propósito queda claro al realizar un análisis de estabilidad en lazo cerrado, pero que aparece en un trabajo previo.22 También note que el uso de este control requiere de contar con una medición de aceleración debido al uso de Ie. Para evitar el uso de la medición, así como del uso del equipo, la aceleración y la velocidad son estimadas, mediante el uso de un observador de modos deslizantes tal y como en el ejemplo anterior. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. OBSERVADOR SUPER-TWISTING Con el propósito evitar el uso de sensores de velocidad para la implementación del control en el sistema esclavo se utiliza un observador de estado. Para poder hacerlo las ecuaciones del sistema esclavo (11) y (12) se deben reescribir en la siguiente forma canónica. (20) x�1 = x2 x�2 = F (x1 , x2 )+Φ (u , y ) (21) Con b F (x1 , x2 ) = − s x2 ms 1 1 us − fh Φ (u , y ) = ms ms (23) (25) � + ë x� − x� sign (x� − xˆ )⎤ (26) x�ˆ2 = E1 ⎡Θ 2 2 2 2 2 ⎣ ⎦ �� = E a sign x� − xˆ (27) Θ ( 2 2) 2 2 Donde xˆ1 y xˆ2 son los estados estimados por el observador. Por otro lado x�1 es la posición del sistema esclavo utilizada para generar el error de estimación que excitará las dinámicas del observador. Las ganancias λ1 y λ 2 serán sintonizadas de acuerdo con el comportamiento deseado, así como α1 y α 2 . Es de resaltar el uso que hace el observador de la función signo sign( )?. Por otro lado las variables E1 y E2 puede tomar los valores 1 o 0 de acuerdo al siguiente criterio: Ei = 1 si e j = x j − xˆ j ≤ ε, ∀j ≤ 1 de lo contrario Ei = 0 . OBSERVADOR LYAPUNOV-KRASOVSKII Otra opción para estimar los estados del sistema esclavo es el observador Lypaunov-Krasovskii. En este método consideramos un sistema de forma triangular dado por: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 (28) Donde τc es el retardo, y en este caso el retardo también se considera constante en el tiempo. Para un sistema que cumple con esta estructura triangular un observador Lyapunov-Krasovskii está dado por: z� = Az + Ψ (x, xrc , u , urc ) − (29) θΔ θ−1S −1C T C {z − x} (22) Para el sistema de teleoperación bilateral considerado, el cual cumple con la forma canónica, un observador super-twisting23 está dado por las siguientes ecuaciones x�ˆ1 = x�2 + l 1 x�1 − xˆ1 sign (x�1 − xˆ1 ) (24) x��2 = a 1sign (x�1 − xˆ1 ) � x = Ax + Ψ (x, xrc , u , urc ) y = Cx x (s ) = ϕ (s ); ∀s ε [−τc , 0] yˆ = Cz (30) 1 1 Δ θ = diag (1, ," , n −1 ) con θ > 0 es Donde θ θ un parámetro sintonizable (ganancia) del observador. Por otro lado S es la solución única de la ecuación algebraica de la Ecuación de Lyapunov: S + AT S + SA − C T C = 0 (31) Se utilizan entonces estas ecuaciones para obtener un observador Lyapunov-Krasovskii para el sistema de teleoperación utilizado. Consideramos que para el caso de las dinámicas del sistema esclavo dadas por las ecuaciones (11) y (12), la matriz A y el valor de Ψ(x, xrc, u, urc) están dados por: ⎡0 1 ⎤ A=⎢ ⎥ ; Ψ (x, xrc , u, urc ) = ⎣0 0⎦ 0 ⎡ ⎤ ⎢1 ⎥ ⎢ us − f ed − bs z2 ⎥ ⎢⎣ ms ⎥⎦ ( ) Por lo tanto, usando estas matrices en la forma canónica (29) y (30), además resolviendo la ecuación de Lyapunov (31) para el valor obtenido de A, entonces el observador Lyapunov-Krasovskii para el sistema teleoperado bilateralmente con retardos constantes está dado por las siguientes ecuaciones: z�1 = z2 − 2θ (z1 − x1 ) (32) z�2 = 1 us − f ed − bs z2 − θ2 (z1 − x1 ) ms ( ) (33) 69 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. SIMULACIÓN A continuación se realizó una simulación que permitiera comprobar la eficiencia de dicho esquema, además de poder obtener una comparación entre ambos observadores. Para la simulación se utilizaron los siguientes parámetros para el maestro: mm = 1.7, cm = 0.4, mm = 1.9, cm = 2, km = 0.01, k f = 0.9. De manera similar para el sistema esclavo : ms = 7, cs = 0.9, ms = 0.3, cs = 0.5, k s = 15, k p = 10.69, ki = 1, k g = 50. Los parámetros utilizados para sintonizar el observador supertwisting λ1 = 10, λ 2 = 10, α1 = 20, α 2 = 1. Así mismo se utilizó una θ=5. La sintonización del las ganancias del observador se hace de manera experimental y se debe probar con distintos valores para asegurar el mejor desempeño. Los resultados de ambos observadores con los controles antes citados se muestran en las siguientes figuras. En la figura 5, se muestra el seguimiento del sistema esclavo al maestro, es además visible el retardo en la reacción del sistema esclavo debido al retardo inducido por el canal de comunicación. Fig. 6. En esta gráfica se muestra el comportamiento de los observadores Lyapunov-Krasovskii (LK) y el Super Twisting (ST) al estimar los estados del sistema esclavo sin retardo con retardo de 1s. reacción que pueda dañar al dispositivo, utilizando las mediciones aportadas por el observador. Finalmente en la figura 7 se muestra el efecto que tiene el retardo en los observadores particularmente. La diferencia en la trayectoria de ambos observadores es apenas notoria en el transitorio, y casi imperceptible una vez que han alcanzado la trayectoria. Es notorio como al incrementarse el retardo el desempeño se empobrece. Sin embargo, las oscilaciones que se presentan se deben al efecto del retardo en el sistema retroalimentado en general, i.e. la sincronización maestro esclavo, y no únicamente a un mal desempeño del observador. Fig. 5. Seguimiento del sistema esclavo (líneas punteadas) al sistema maestro (línea continua) con un retraso de 1s. En la figura 6, la estimación de los observadores en el sistema esclavo, aunque con oscilaciones, los parámetros pueden ser sintonizados para tener un estimado aceptable. En ellas se aprecia, como el control del sistema esclavo sigue de manera aceptable al sistema maestro considerando el objetivo de un control basado en impedancia el cual es evitar una 70 Fig. 7. El efecto del retardo en el tiempo sobre los observadores. a) considerando un retardo de 1s. b) considerando un retardo de 3s. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. CONCLUSIONES En este trabajo se presentó una solución al problema de inestabilidad en presencia de retardos para un sistema de teleoperación bilateral. Además el esquema propuesto no requiere ningún sensor de velocidad ya que utiliza un observador de estados para obtenerla. Se ofrecieron dos esquemas de observación super-twisting y Lyapunov-Krasovskii, para el esquema de control propuesto. Mediante simulación se presentó una comparación en el desempeño de estas dos diferentes técnicas de observación bajo el efecto de un retardo constante. Se verificó el funcionamiento de los esquemas mediante simulación en MatLab. Los resultados obtenidos muestran que utilizando observadores de estimación de estados es posible obtener buenos resultados al acoplarlo con un sistema de control basado en modos deslizantes aun y con cierta cantidad de retardos. Por otro lado, al considerar un retardo en los canales de comunicación, una situación muy práctica y apegada a la realidad, se muestra que el esquema control-observador es estable para un retardo constante y acotado, si bien al aumentar dicho retardo se empobrece el buen desempeño del esquema. Comparando ambos observadores es notorio que ambos tienen un buen desempeño en simulación. El observador super-twisting tiene como ventaja que no requiere conocer los parámetros del sistema lo cual lo hace especialmente robusto a incertidumbres paramétricas, pero tiene como desventaja que su sincronización puede llegar a ser complicada debido al número de ganancias envueltas. Por otro lado como desventaja del observador LyapunovKrasovskii es que sí se requiere la información completa del modelo, pero de su forma dinámica su comportamiento es más suave y además es mucho más sencilla y práctica su sintonización al solo elegir un valor adecuado para θ. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Niculescu, S., Delay Effects on Stability., Springer-Verlag 2001. 2. Sheridam, T.B., Teleoperation, Telerobotics and Telepresence: A Progress Report., Control Eng. Practice, Vol.3, No.2, pp. 205-214, 1995. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 3. Anderson, R..J., and Spong, M.W., Bilateral Control of Teleoperators with Time Delay. IEEE Trans. Automat. Contr., AC-34, No.5, pp. 495501. 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International Journal of Robotics Research, 28(7), 895-910. (2009). 21. C h o p r a , N . , & S p o n g M . W . , O u t p u t synchronization of nonlinear systems with time delay in communication. In IEEE conf. on decision and control, pp. 4986-4992. (2006). 23. Davila, J., Fridman, L & Levant, A., Sliding-order sliding-mode observer for mechanical systems. Automatic Control, IEEE Transactions on 50. Issue 11, pp. 1785-1789, 2005. 22. González, N., et al., A sliding mode-based impedance control for bilateral teleoperation under time delay. 18th IFAC World Congress, Milan, Italia 2011. http:// aplicaciones.its.mx/congreso2011/ Tel: +52(844) 438 9539 72 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Eventos y reconocimientos I. VERANO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA 2011 La UANL a través de la Secretaría de Investigación, Innovación y Posgrado llevó a cabo la edición 2011 del Programa “Verano de Investigación Científica y Tecnológica” (PROVERICYT) el cual tiene como objetivo fomentar el interés de los estudiantes por la actividad científica en sus diferentes ramas. Este año participaron 426 estudiantes, 148 de nivel medio superior y 274 de nivel superior, de 29 dependencias de la UANL, distribuidos en las siguientes áreas del conocimiento: Ciencias de la Salud, Ciencias Naturales, Ciencias de la Tierra, Ciencias Exactas, Ciencias Sociales, Ingeniería y Tecnología y Humanidades. Los jóvenes trabajaron de tiempo completo en proyectos de actualidad en laboratorios de investigación supervisados por 148 profesores expertos, quienes los apoyaron en la definición de su vocación científica, ampliaron sus conocimientos y enriquecieron su formación profesional. Después del arduo trabajo realizado durante 5 semanas, el 21 de julio se efectuó la clausura del Alumnos participantes en el Verano de Investigación Científica y Tecnológica 2011, quienes realizaron sus proyectos en la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Verano de Investigación Científica y Tecnológica 2011 por parte del Dr. Mario César Salinas Carmona Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado de la UANL. II. DÍA NACIONAL DEL INGENIERO 2011 El 2 de julio el Colegio de Ingenieros Mecánicos, Electricistas y Electrónicos de Nuevo León A.C. (CIME NL), en conjunto con las universidades y centros de educación superior del Estado de Nuevo León, organizó una ceremonia con motivo del Día Nacional del Ingeniero 2011, en la que se entregaron reconocimientos por su trayectoria profesional a distinguidos ingenieros. En este evento, presidido por el Ingeniero Manuel Fraustro Sánchez, Presidente del Colegio de Ingenieros Mecánicos y Eléctricos de Nuevo León, se homenajeó a los siguientes ingenieros: El M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIMEUANL entregando el reconocimento por su trayectoria profesional al M.C. Juan Ángel Garza Garza, catedrático de la FIME-UANL, durante la ceremonia del Día del Ingeniero 2011 organizada por el CIME NL. 73 �Eventos y reconocimientos • Sergio Edelmiro Gutiérrez Peña, FIME-UANL, generación 1959. • José Luis Apodaca Villarreal, FIME-UANL, generación 1967. • Gerardo Hernández Lara, FIME-UANL, generación 1976. • Juan Ángel Garza Garza, FIME-UANL, generación 1977. • Pablo Manuel Fernández Garza, FIME-UANL, generación 1979. • Francisco Torrecillas Cervantes, ITD, generación 1972. • Eduardo Aniceto Auces López, FIC-UANL,generación 1969. • Paúl Pérez Vera, ESIME-IPN, generación1972. • José Ignacio Lujuán Figueroa, ITESM, generación 1974. • Ricardo Federico Paniagua Ceja, ITCM, generación 1980. • Luis López Pérez, CEU. En esta ocasión, entre otros, fueron reconocidos, de la FIME-UANL el Dr. José Luis Cavazos García y por la Facultad de Artes Visuales UANL, el M.A. José Luis Martínez Mendoza, diseñador fundador y actual diseñador de las portadas de la revista Ingenierías. III. NOMBRAN PROFESORES EMÉRITOS UANL En el marco de la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario celebrada el 8 de septiembre de 2011, la UANL entregó nombramientos de profesor emérito a distinguidos catedraticos en virtud de sus méritos y prestigio académico obtenido a lo largo de su carrera. IV. PREMIOS DE INVESTIGACIÓN UANL 2011 El 8 de septiembre de 2011, duranrte la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, se realizó la entrega de los Premios de Investigación UANL 2011 por parte del Rector, el Dr. Jesús Áncer Rodríguez. Los galardonados en las áreas afines a esta publicación fueron, en la categoría de Ciencias Exactas los trabajos: • “Efecto del Dopaje de Indio y Níquel en las propiedades texturales, estructurales y Catalíticas de polvos Nanométricos de Titania preparada por Sol-Gel”, desarrollado por la Dra. Leticia Myriam Torres Guerra y el M.C. Miguel A. Ruiz Gómez • “La Química verde como plataforma para el desarrollo de materiales y procesos sustentables”, realizado por el Dr. Eduardo Maximiano Sánchez Cervantes. y en el área de Ingeniería y Tecnología el trabajo: • “Uso de carboximetilcelulosa como matriz polémica en la síntesis de nuevos materiales híbridos”. desarrollado por el Dr. Martín Edgar Reyes Melo, el Dr. Virgilio González González y el M.C. Juan Francisco Luna Martínez. El Dr. José Luis Cavazos, catedrático de la FIME-UANL, recibiendo de manos del Rector de la UANL, Dr. Jesús Áncer Rodríguez, su nombramiento como profesor emérito de la UANL. Investigadores de la FIME-UANL galardonados con el Premio de Investigación UANL 2011 acompañados por el Director de la facultad, el M.C. Esteban Báez Villarreal. 74 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Junio - Agosto 2011 José Omar Villareal Ochoa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 1 de junio de 2011. Leonardo Gabriel Hernández Landa, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Optimización en tiempo real para sistemas de transporte colectivo”, 2 de junio de 2011. Bruno Rodrigo Fuentes López, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Diseño determinista de una red de logística inversa multiperiodo”, 2 de junio de 2011. Yadira Alondra de Santiago Badillo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Un problema bi-objetivo de ruteo de vehículos con ventanas de tiempo”, 3 de junio de 2011. Cristina Aurora Elizondo Martínez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Proceso de FDB de tapas de góndolas de tren”, 6 de junio de 2011. Ricardo Ruiz López, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 10 de junio de 2011. Rubén Navarro Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 13 de junio de 2011. César Adrián Ibarra Carrillo, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, “Sistemas de potencia fluida”, 16 de junio de 2011. * Información proporcionada por el M.C. José Alejandro Cázares Yeverino, titular del Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Martín Guadalupe Elizondo Garza, Maestría en Ingeniería con orientación en Ingeniería Eléctrica, (Examen por materias), 17 de junio de 2011. María Isabel Mendivil Palma, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis de nanopartículas de Ag y nanocristales de SH2O3 producidos mediante ablación con laser pulsado en un medio líquido (PUAM)”, 20 de junio de 2011. Diego Garay Correa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Examen por materias), 25 de junio de 2011. Ana Cecilia Sánchez Orozco, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 30 de junio de 2011. Baldomero Barrón Oyervidez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Uso del método de los centros de solución del problema de flujos de potencia”, 30 de junio de 2011. José Cirilo Garay Castillo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Efecto de la inserción de nanopartículas cristalinas en la tenacidad de la fractura del vidrio sodico-calcico”, 30 de junio de 2011. Alberto Hernández López, Maestría en Ingeniería, con especialidad en Mecánica, “Materiales aeronáuticos”, 4 de julio de 2011. María de los Ángeles Báez Olvera, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, “Una aplicación de la programación con restricciones probabilísticas para un problema de diseño de cadena de suministro con incertidumbre”, 8 de julio de 2011. 75 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Marina Estrada Ruiz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 8 de julio de 2011. Sergio Alejandro Leal Alanís, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización de aceros inoxidables y de estudio de su resistencia mecánica y conformabilidad”, 11 de julio de 2011. René Alberto González Sánchez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Distintivo M.” 11 de julio de 2011. Mario Moreno Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 14 de julio de 2011. Rosalinda Herrera Serrato, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 14 de julio de 2011. Hugo Guadalupe Ramírez Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable, “Convección natural de calor y masa en una cavidad cilíndrica con pared ondulada”, 15 de julio de 2011. Tadeo Adrián Tamez Pérez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 18 de julio de 2011. Gabriela Margarita Martínez Cázares, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Oxidación a alta temperatura de acero con silicio y cobre”, 18 de julio de 2011. Elvira Guadalupe García Ortiz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 18 de julio de 2011. Raúl Ernesto Ornelas Acosta, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Películas delgadas de Cu (In. Ah.) se (CIAS) por métodos no tóxicos para la aplicación en celdas solares”, 20 de julio de 2011. Samuel González Suárez, Maestría en Ingeniería, con orientación en Telecomunicaciones, “Implementación de las lecturas de mediciones vía internet”, 19 de julio de 2011. 76 Aarón Mendoza Cavazos, Maestría en Ingeniería, Telecomunicaciones, “Radios IPS a través de fibra óptica”, 19 de julio de 2011. Mario Alberto Granados Villarreal, Maestría en Ingeniería, con orientación en Telecomunicaciones, “Red SDH nacional de fibra óptica”, 19 de julio de 2011. Eduardo Vázquez Silva, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, “Diseño de arquitectura tecnológica base para nube de servicios privada”, 19 de julio de 2011. Blanca Leticia Álvarez Salazar, Maestría en Ingeniería con orientación en Ingeniería Eléctrica, (Examen por materias), 20 de julio de 2011. Claudia Marcela Cárdenas Estrada, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, “Plan de marketing exportación de cajera ¨CATA¨ a Brasil”, 21 de julio de 2011. Luis Alfonso Galicia Rubio, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, “Implementación del protocolo DNP3 para transmisión de datos en la red eléctrica”, 19 de julio de 2011. Juan Jaime Tadeo Rodríguez Martínez, Maestría en Ingeniería de la Información, Informática, (Examen por materias), 21 de julio de 2011. Dalia Rosalinda Garza Rodríguez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, “Telecontrol de subestaciones eléctricas por medio de tableros SISCOPROMM”, 22 de julio de 2011. María Isabel Escobedo Chávez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, “Unidad central maestra”, 22 de julio de 2011. Perla Jeanett Sandoval Campos, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, “Automatización de sistemas SICOSS y SCADA”, 22 de julio de 2011. José Arturo Salinas Chávez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización de aleaciones NiTi Y NiTiCu”, 22 de julio de 2011. Rodolfo Morales Ibarra, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 22 de julio de 2011. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Maribel Martínez Farfán, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 22 de julio de 2011. Dana Daniela Aguirre Morales, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio del crecimiento subcrítico de grietas en papel: Análisis estadístico y correlación por emisión acústica”, 22 de julio de 2011. Israel Portales Flores, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, “Análisis de oportunidad de mejoras en planta metal mecánica”, 22 de julio de 2011. Rubén Suárez Escalona, Maestría en Ingeniería, con orientación en Inteligencia Artificial, (Examen por materias), 25 de julio de 2011. Yadira Aidé Salinas Martínez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 26 de julio de 2011. Cutberto Daniel Conejo Rosas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Control Robusto H-Infinito de sensibilidad mezclada aplicado a sistemas lineales invariantes en el tiempo subactuados”, 26 de julio de 2011. Grisel García Guillén, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio del proceso de hidratación de pastas de cemento portland reemplazadas con escoria granulada de alto horno, ceniza volante y metacaolín, utilizando dos activos superplastificantes”, 28 de julio de 2011. Alma Cristina Tovar Luna, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Localización de fallas en sistemas muestreados”, 29 de julio de 2011. Ricardo Garza Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 4 de agosto de 2011. Miguel Ángel Jacobo Cambray, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Evaluación de la condición de salud del transformador mediante Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 análisis de vibraciones usando la transformada HILBERT-HUANG”, 10 de agosto de 2011. Martín Javier Martínez Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Análisis e investigación para llevar a cabo la manufactura de lámparas con tecnología ¨LED¨S de alta eficiencia y ahorro de energía”, 9 de agosto de 2011. José Bristain Alvarado, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, “Análisis de la industria a la que pertenece la unidad estratégica de negocios”, 10 de agosto de 2011. Francisco Javier González Guerra, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 15 de agosto de 2011. Rubén Guadalupe Domínguez Gracia, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 15 de agosto de 2011. José Lorenzo de la Garza Rubio, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 16 de agosto de 2011. César Mario Jacobo Rivera , Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 19 de agosto de 2011. Reynaldo Ruiz Pedraza, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 22 de agosto de 2011. Jaime Hernández Sánchez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 24 de agosto de 2011. David Román Flores Báez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 24 de agosto de 2011. César Héctor García Cano, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 29 de agosto de 2011. Ricardo Alejo Sanabria Ruiz, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 29 de agosto de 2011. Iván Alvarado Bravo, Maestría en Ingeniería, con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura, (Examen por materias), 31 de agosto del 2011. 77 �Acuse de recibo AIR TRADE ACerS BULLETIN Air Trade: Revista de Aviación es una publicación bimestral dirigida principalmente al mercado mexicano, que busca, mediante artículos cortos y descriptivos, el mantener actualizados tanto técnica como comercialmente a las personas que trabajan en o gustan de la aviación. La revista está estructurada por las secciones: noticias nacionales, noticias internacionales, reportaje aeronáutico, avances tecnológicos, aviación histórica, y técnicas de vuelo. Las secciones que ocupan la mayor parte de la revista son las de noticias, que dan una visión de lo que ocurre en las grandes empresas y organizaciones aeroespaciales. Como ejemplo del contenido, en el No. 10 del Año II, se abordan temas como: la creación de la agencia Espacial Mexicana, pruebas a diferentes modelos recientes de aviones y helicópteros, aviones no tripulados israelíes para defensa/seguridad, la amenaza que representa la ceniza volcánica a los aviones, etc. También con motivo del 100 aniversario de la aviación mexicana se presentan artículos históricos. Para mayor información sobre esta revista puede consultarse su página en Internet en la dirección: http://www.airtrademexico.com/ . (FJEG) ACerS Bulletin es una publicación de la American Ceramics Society (ACS) con circulación mensual (excepto Febrero, Julio y Noviembre) y con ISSN No. 0002-7812, que cubre los aspectos, novedades y actividades relacionadas a la ACS. Así mismo, abarca temas asociados a la ciencia, ingeniería, tecnología y manufactura de los materiales cerámicos. Con un estilo divulgativo y de manera breve, el contenido de esta revista trata de mantener actualizados e informados a investigadores, profesionistas y estudiantes relacionados con las actividades en esta área. En el número 5, Vol. 90 de Junio-Julio 2011, destacan artículos interesantes, por ejemplo: perspectivas generadas alrededor del desempeño de estudiantes, cómo influye su formación académica y su contribución a la ciencia e ingeniería de los materiales, cerámicos aplicados a la sustentabilidad, desarrollo de nanomateriales, aplicaciones en energías verdes, entre otros. Para mayor información, puede consultar la versión electrónica disponible en el sitio: http://www.ceramicbulletin.org. 78 (JGPC) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Colaboradores Colás Ortiz, Rafael Ingeniero Metalurgista por la Universidad Autónoma Metropolitana. Maestro (1980) y Doctor (1984) en Metalurgia por la Universidad de Sheffield, Inglaterra. Es Profesor Investigador en la FIME-UANL y Director del Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo Tecnológico en Ingeniería y Tecnología de la UANL. Ha recibido el premio TECNOS’ en 1994, 1996, 1998 y 2000. Es miembro de las Academias de Ingeniería y Mexicana de Ciencias, Fellow de la ASM Internacional y SNI Nivel 3. De León Morales, Jesús Licenciado en Ciencias Físico-Matemáticas (1981) por la FCFM-UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería en el CINVESTAV (1987) y Doctorado en Ciencias (1992) por la Universidad Claude Bernard, Lyon I, Francia. Desde 1993 es Profesor Investigador del Programa Doctoral en Ingeniería Eléctrica de la FIME, y desde 2008 en el CIIDIT, UANL. Ha obtenido varios Premios de Investigación UANL, incluido el de 2009. Miembro del SNI, nivel II. Miembro de la Academia Mexicana de las Ciencias. García Méndez, Manuel Licenciado en Física por la FCFM-UANL. Maestría y Doctorado en Física de Materiales, programa conjunto CICESE-UNAM, Ensenada, México. Estancia Posdoctoral en la Universidad de Manchester, Inglaterra. Profesor Investigador de la FCFM desde el 2001. Premio de Investigación 2002 en el área de Ciencias Exactas. Miembro del SNI, nivel I. González Fonseca, Nicolás Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones por la UANL (2002), mención honorífica). M.C. en Control Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 Automático (2005) por la UANL. Desde 2009 estudiante de doctorado en control automático. González González, Virgilio A. Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la FCQ-UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL. Ha sido investigador en el campo de los polímeros desde 1975. Es miembro del SIN nivel II. Es profesor de tiempo completo de la FIME-UANL desde 1988. Lizcano Zulaica, Carlos Javier Doctor en Ingeniería de los Materiales por la FIMEUANL. Trabajó durante 30 años en la compañía HYLSA SA de CV y ocupó el cargo de consultor y asesor en el área de Investigación y Desarrollo de Acerías. Actualmente es profesor investigador en la FIME-UANL. Tiene publicados más de 50 artículos técnicos y ha participado en la dirección de más de 20 tesis de licenciatura, maestría y doctorado. López Cuéllar, Enrique Manuel Ingeniero Mecánico Eléctrico por la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (1998). Doctor en Ciencia de Materiales (2004) en el INSA de Lyon, Francia. Catedrático Investigador de la FIME y el CIIDIT de la UANL. SNI Nivel 1. Obtuvo el Premio de Investigación de la UANL en 2010. López Walle, Beatriz Cristina Ingeniera Mecánica -opción Mecatrónica- (2003) por la UNAM. Doctora en Microrobótica (2008) en la Université de France-Comté, en Besançon, Francia. Catedrático Investigador de la FIME y el CIIDIT de la UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel Candidato. 79 �Colaboradores Luna Martínez, Juan Francisco Ingeniero Mecánico Electricista (2000) por la FIME-UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2007) por la FIME-UANL. Actualmente es candidato a Doctor en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Martínez Luna, Gilberto Lorenzo Estudió en la Escuela Superior de Física y Matemáticas (ESFM) del IPN. Maestría en el Centro de Investigación y Estudios Avanzados (Cinvestav) y Doctorado en Computación por el Centro de Investigación en Computación (CIC), ambos del IPN. Desde 1987 ha impartido cursos en licenciatura, maestría y doctorado en diversas escuelas y universidades. Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias (1990) en la UANL. M.C. de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2000). Doctor en Ciencia de Materiales (2004) en la Université Paul Sabatier, en Toulouse, Francia. Catedrático Investigador de la FIME y el CIIDIT de la UANL. SNI Nivel 1. Premio a la Mejor Tesis de Maestría UANL en 1999. Ha obtenido cuatro Premios de Investigación UANL en 1999, 2004, 2009 y 2011. Ruiz Gómez, Miguel Ángel Licenciado en Química Industrial y Maestro en Ciencias con Especialidad en Ingeniería Ambiental, 80 ambas por la UANL. Es profesor a nivel preparatoria y licenciatura en la UANL. Ha recibido reconocimientos como estudiante y profesor por la UANL. Torres Martínez, Leticia M. Licenciada en Química Industrial por la UANL. Doctora en Química de Materiales Cerámicos Avanzados en la Universidad de Aberdeen, Escocia. Actualmente es Directora Adjunta de Desarrollo Científico en el CONACYT. SNI Nivel III. Ha recibido más de 50 premios y distinciones a nivel nacional e internacional. Ha ganado en 16 ocasiones el Premio de Investigación UANL, en la modalidad de Ciencias Exactas e Ingeniería y Tecnología. Valdez Nava, Zarel Ingeniero Mecánico Metalúrgico, UANL. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, UANL. Doctorado en Ingeniería en Materiales, otorgado en cotutela, UANL-Université Paul Sabatier. Investigador del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, Francia) desde 2008. Villarreal Vera, Oscar Francisco Ingeniero Mecánico Metalúrgicoy Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Obtuvo el Premio Nacional de Tecnología y Ciencia de la CANACERO, 2010/2011. Es el responsable del área de Ingeniería de Servicio de las plantas de Zincacero y Cintacero del Grupo Villacero. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes y convocatorias. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Se aceptarán trabajos en inglés solamente de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES En el caso de los trabajos de revisión o divulgación el autor debe demostrar que ha trabajado y publicado en el tema del artículo, debe ofrecer una panorámica clara del campo temático, debe separar las dimensiones del tema y evitar romper la línea de tiempo y considerar la experiencia nacional y local, si la hubiera. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben contener la presentación de resultados de medición acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamentre dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 81 �26 al 29 de octubre de 2011 Publicación trimestral arbitrada de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionistas, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. La opinión expresada en los artículos firmados es responsabilidad del autor. No se responde por originales y colaboraciones no solicitadas. Se autoriza la reproducción total o parcial de los artículos siempre y cuando se solicite formalmente, se cite la fuente y no sea con fines de lucro. La correspondencia deberá dirigirse a: Revista Ingenierías, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL, A.P. 076 “F”, Ciudad Universitaria, C.P. 66450, San Nicolás, N.L., México. Tel: (52) (81) 8329-4020 Ext. 5854. Fax: (52) (81) 8332-0904 Correo electrónico: revistaingenierias@gmail.com , fjelizon@mail.uanl.mx , juan.aguilargb@uanl.edu.mx Página en Internet: http://ingenierias.uanl.mx Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. ISSN: 1405-0676 82 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 �Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 83 �CALIMET CALIMET SA SA de de CV CV LABORATORIO ACREDITADO ISO/IEC 17025 SERVICIOS: ANÁLISIS QUÍMICOS Espectrometría de chispa en materiales matriz fierro, aluminio y cobre Absorción atómica Determinador de Carbono y Azufre CS 230 Materiales ferrosos y no ferrosos Análisis vía húmeda Grafito, cales, ferroaleaciones Combustión Determinación de %C y %S Granulometría PRUEBAS MECÁNICAS Y FÍSICAS Ensayo de Impacto Charpy hasta -80° C Tensión y compresión Dureza Rockwell (Todas las escalas) Dureza Brinell Ensayos de impacto charpy ANÁLISIS NO DESTRUCTIVOS Ultrasonido Líquidos penetrantes Medición de espesores Partículas magnéticas Radiografía industrial (subcontratada) Durómetro Rockwell nueva generación Ultrasonido detector de fallas ANÁLISIS DE FALLA Caracterización microestructural con microscopio Carl Zeiss y analizador de imagen Metalografía de Campo Experiencia, Calidad y Servicio... Equipos verificados y calibrados de acuerdo a la Norma NMX-EC-17025-IMNC-2006. Informes de calibración y trazabilidad al CENAM y NIST. Av. Las Puentes, No. 1002-A, entre Montes de Transilvania y Av. Santo Domingo Col. Las Puentes 4to. Sector, San Nicolás de los Garza, N.L., C.P. 66460 Tels: 8353-1745, 8302-04-86, 8057-30-76, 1367-03-39, 8350-92-89, Tel/Fax: 1367-03-40 Pág. Web www.calimet.com.mx E-mail: calimet1@prodigy.net.mx, servicioalcliente@calimet.com.mx 84 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, No. 53 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2011 Volumen Volumen de la revista 14 Número Número de la revista 52 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2011, Vol 14, No 52, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2011 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020815 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Axiones Fisicoquímica Materia oscura Óxido de grafito Supersimétrica Tensión superficial https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20774/Ingenierias_2011_Vol_14_No_51_Abril-Junio.pdf c7d31c42a8b4b7aa7677a7214a4a1c5a PDF Text Text �Contenido Abril-Junio de 2011, Vol. XIV, No. 51 51 2 Directorio 3 Editorial El divulgador de ciencia y tecnología Roberto Rebolloso Gallardo 10 Centenario de la superconductividad J. Rubén Morones Ibarra 22 Expectativas y capital académico de estudiantes de nuevo ingreso a ingeniería en Mexicali, México: Discusión desde la perspectiva de género María Magdalena Duarte Godoy, Juan José Sevilla García, Susana Gutiérrez Portillo, Jesús Francisco Galaz Fontes 31 Grafos en el desarrollo vascular arterial renal 39 Inteligencia sin palabras Aurora Espinoza Valdez, Ricardo Femat, Francisco C. Ordaz Salazar Gabriel Zaid 43 Planeación justo a tiempo: Soluciones óptimas mediante reformulaciones convexas Fernando Elizalde Ramírez, Yadira I. Silva Soto, Yasmín A. Ríos Solís 51 Electroquímica de la reacción de litio con el tungstato Bi14W2O27 Francisco E. Longoria Rodríguez, Azael Martínez De la Cruz, Lucy T. González, Mario R. González Quijada 57 Suspensiones de BaTiO3 para la fabricación de cintas dieléctricas para capacitores Román Jabir Nava Quintero, Sophie Guillemet-Fritsch, Juan Antonio Aguilar Garib, Martín Edgar Reyes Melo, Bernard Durand 63 Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier Miguel Ángel Platas Garza, José Antonio De la O Serna 76 Eventos y reconocimientos 78 Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL 79 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 81 Acuse de recibo 82 Colaboradores 84 Información para colaboradores Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 1 �DIRECTORIO CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Liviu Sevastian BocÎI REDACCIÓN Lic. Julio César Méndez Cavazos DIRECTOR M.C. Fernando J. Elizondo Garza FIME-UANL Rumanía. U. “Aurel Vlaicu”, Arad. Dr. Mauricio Cabrera Ríos Puerto Rico. UPRM Dr. Juan Jorge Martínez Vega Francía. Universidad de Toulouse III Dr. José Evaristo Ruzzante Argentina. CNEA. Dr. Samir Nagi Yousri Gerges Brasíl. UFSC, Florianopolis. Dra. Karen Lozano FIME-UANL TIPOGRAFÍA Y FORMACIÓN Gregoria Torres Garay Jesús G. Puente Córdova COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García TRADUCTORES CIENTÍFICOS Lic. José de Jesús Luna Gutiérrez Dra. Martha A. Fabela Cárdenas EDITOR Dr. Juan Antonio Aguilar Garib FIME-UANL Dr. Rafael Colás Ortíz INDIZACIÓN L.Q.I. Sergio A. Obregón Alfaro FIME-UANL USA. UT-Panam Dr. Juan Miguel Sánchez USA. UT-Austin Dr. Jesús De León Morales FIME-UANL Dr. Virgilio A. González González CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Óscar L. Chacón Mondragón FIME-UANL Dr. Moisés Hinojosa Rivera FIME-UANL Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar FIME-UANL Dra. Oxana Vasilievna Karisova FCFM-UANL FIME-UANL Dr. Azael Martínez De la Cruz Dr. Benjamín Limón Rodríguez FIME-UANL FIC-UANL Dr. Enrique López Cuellar Dr. José Rubén Morones Ibarra FIME-UANL FCFM-UANL Dr. Martín Edgar Reyes Melo Dr. Ubaldo Ortiz Méndez FIME-UANL FIME-UANL Dr. Miguel Ángel Palomo González FCQ-UANL M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo FFYL-UANL Dr. Ernesto Vázquez Martínez Dr. Roger Z. Ríos Mercado FIME-UANL DISEÑO M.A. José Luis Martínez Mendoza FOTOGRAFíA M.C. Jesús E. Escamilla Isla WEBMASTER Ing. Dagoberto Salas Zendejo IMPRESOR M.C. Mario A. Martínez Romo René de la Fuente Franco Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan FIME-UANL Dr. Félix Sánchez De Jesús ICBI-UAEH FIME-UANL Dr. Jesús González Hernández CIMAV UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector / Dr. Jesús Áncer Rodríguez Secretario General / M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado / Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura / Lic. Rogelio Villarreal E. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Director / M.C. Esteban Báez Villarreal Sub-Director de Estudios de Posgrado / Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Académico / M.C. Arnulfo Treviño Cubero Sub-Director Administrativo / M.C. Felipe de J. Díaz Morales Sub-Director de Desarrollo Estudiantil / M.C. Hugo E. Rivas Lozano Sub-Director de Vinculación y Relaciones / M.C. Jaime G. Castillo Elizondo Sub-Director de Desarrollo Institucional y Humano / Dr. Arturo Torres Bugdud 2 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Editorial: El divulgador de ciencia y tecnología Roberto Rebolloso Gallardo Colegio de Sociología, Facultad de Filosofía y Letras, UANL rfrebolloso@gmail.com Es indiscutible que la ciencia, la tecnología y el conocimiento social tienen, hoy día, un fuerte valor, no sólo económico sino cultural. La sociedad contemporánea se enfrenta a grandes cambios en su vida cotidiana producto de los avances de la ciencia que se vuelven objetos y servicios que los tecnólogos e ingenieros desarrollan para el mercado, y que llegan a ser más deslumbrantes que el conocimiento que los respalda. Este culto a los objetos en lugar de a la ciencia detrás de ellos, aunado a la falta de divulgadores científicos genera una forma de analfabetismo que finalmente trasciende en una cultura que impide que una comunidad justifique socialmente el gasto que el estado, o un particular, realicen en este rubro porque no puede valorar las contribuciones científicas. Para entender las dificultades implícitas en la divulgación de los avances del conocimiento científico-tecnológico-ingenieril, a continuación se presenta un esbozo de la cultura científica y humanista, para concluir con una discusión sobre el papel de los científicos e ingenieros en la cultura actual. DE LA FILOSOFÍA A LA CIENCIA Georges Basalla,1 historiador de la ciencia, señala que en la Europa de los siglos XVII y XVIII, se generó una nueva visión y estructura del quehacer científico, la cual, además de la experimentación, y la creación y enlace a nuevas instituciones, establece un nuevo sujeto, el “hombre de ciencia”, menos mágico y con una mejor estructura racional, que lo diferencia de su antecesor, el “hombre de letras” (homme de lettres), que estaba y siguió vigente en la Francia de los siglos XVI, XVII y XVIII. José María Mardones,2 filósofo español, afirma que el pensamiento en torno al método científico proviene de dos tradiciones, por un lado la tradición aristotélica, y por el otro, la tradición galileana. Estos dos planteamientos intentan fundamentar una explicación científica: la primera está encuadrada en Aristóteles [-384 a -322] y la segunda, a pesar de recibir el nombre de Galileo Galilei [1564 a 1642], hunde sus raíces en Pitágoras [-582 a -507] y Platón [c. -428/427 a -347]. La tradición aristotélica se fundamenta en la observación y la explicación científica que sólo se logra cuando se da razón de los hechos. Su visión empirista, o sea el buscar fundamentar el conocimiento en la experiencia, lo llevó a tratar de encontrar explicaciones racionales para el mundo que nos rodea. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 3 �El divulgador de ciencia y tecnología / Roberto Rebollosos Gallardo Por el lado de la tradición galileana, se deja “de mirar al universo como un conjunto de sustancias con sus propiedades y poderes, para verlo como un flujo de acontecimientos que suceden según leyes”.2 El historiador y filósofo de la ciencia Thomas Kuhn, en su libro The Structure of Scientific Revoloutions, confirma este cambio de perspectiva.3 Kuhn sugiere que el conocimiento aceptado en un momento histórico por la comunidad científica constituye un paradigma, el cual ante un descubrimiento nuevo y radical, puede provocar un cambio en la visión de la ciencia, llevando al establecimiento, después de un periodo de discusión y verificación, de un nuevo paradigma científico, que corrige o amplía el conocimiento anterior. Antecedentes medievales de la perspectiva científica son Roger Bacon [1214 a 1292]; Duns Scoto [1266 a 1308], Guillermo de Occam [1280 a 1349] y por supuesto Copérnico [1473 a 1543] con su De revolutionibus orbium coelestium quienes influenciarían el pensamiento de Galileo quien en su obra Discorsi e Dimostrazioni Matematiche, intorno a due nuove scienze attenenti alla meccanica & i movimenti locali (1638), abriría la era de la “nueva ciencia”. Galileo dibuja una nueva clase social que tiene interés en una cultura más pragmática, más positiva, más utilitaria, lo que genera un deseo por apropiarse de la naturaleza y por lo tanto una actitud tecnológica del conocimiento, y sus aplicaciones ingenieriles, que influenciarían a los filósofos de la época, como es el caso de Descartes [1596 a 1650] y B. Pascal [1623 a 1662]. Por supuesto que esta confrontación de la visión aristotélica y galileana, generó una de las mayores polémicas en torno a la cultura académica en la historia de la humanidad. De acuerdo a Peter Burke, historiador británico, especialista en historia cultural moderna, en ese momento histórico se genera una división, por un lado, la cultura humanista y por el otro la científica. La primera establecida formalmente desde la Edad Media por una clerecía fuera de los monasterios, que fue un movimiento paralelo al surgimiento de las primeras universidades. Esta clerecía incluía médicos y juristas, de hecho los primeros profesores de las universidades (escolásticos) solían calificarse como hombres de letras, monjes, maestros o filósofos, que luego fueron etiquetados como “humanistas”. A este respecto Burke apunta: “La aparición del término ‘humanista’ sugiere que, por lo menos en las universidades, enseñar humanidades contribuyó a desarrollar el sentido de una identidad común entre los profesores.”.4 La nueva visión de la ciencia forzó a incorporar conocimientos alternativos al aprendizaje, como por ejemplo, la química ligada a la metalurgia, o la botánica vinculada a los jardineros y sanadores populares. El surgimiento de las sociedades científicas; la Royal Society of London for Improving Natural Knowledge (1660) o la Académie Royale des Sciences de París (1666) dan pie a la institucionalización de esta nueva cultura que pone mayor énfasis en el estudio de las ciencias de la naturaleza. La oposición de algunas universidades a dicho movimiento también generó un buen número de defensores a favor de la nueva visión de la filosofía natural, donde la discusión por la enseñanza de las matemáticas en las universidades era parte de la polémica de la época, a lo que bien dice Burke: “Estos escenarios ofrecieron microentornos apropiados o bases materiales para las nuevas redes, pequeños grupos o ‘comunidades epistemológicas’ que a menudo han 4 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �El divulgador de ciencia y tecnología / Roberto Rebollosos Gallardo desempeñado un papel muy importante en la historia del conocimiento”.4 Y añade: “Algunas de ellas se fundaron dentro de las mismas universidades como los jardines botánicos, las aulas de anatomía en forma de teatro, los laboratorios y los observatorios, todos esos ejemplos constituían islas de innovación dentro de estructuras más tradicionales”.4 Por ejemplo, la Universidad de Leiden tuvo un jardín botánico en 1587, un aula de anatomía en 1597, un observatorio en 1633 y un laboratorio en 1669, modelo que se convirtió en una pauta a seguir en la creación de las nuevas universidades. De lo anterior se desprende una nueva fisonomía de las sedes del conocimiento, así como nuevos actores que provocaron una identidad colectiva impulsando de esta manera el desarrollo no sólo de comunidades intelectuales, sino de científicos. Es indiscutible que la Ilustración, movimiento cultural europeo, que produce los primeros híbridos entre los filósofos y los científicos, difundiendo de manera masiva los descubrimientos de la época, y que se desarrolló principalmente en Francia e Inglaterra, desde principios del siglo XVIII marcó un momento importante en la historia de la ciencia, pues el conocimiento dejó de ubicarse sólo en los monasterios y las universidades, al aparecer el investigador profesional, que se desarrolla gracias a la fundación de las sociedades científicas. Al respecto Burke señala que en el siglo XVIII hay alrededor de 70 sociedades científicas interesadas en la filosofía natural.4 Lo que sí es evidente de este movimiento es que “formaron una verdadera red internacional, intercambiando visitas, cartas y publicaciones y en ocasiones desarrollando proyectos en común.”. En este periodo florece la relación entre la ciencia, la manufactura y el comercio, que llevarían a la revolución industrial.5 EL RESGUARDO Y DIVULGACIÓN DEL CONOCIMIENTO Antes de discutir el papel del divulgador actual, es conveniente recordar como se custodiaba y difundía el conocimiento desde la antigüedad, el cual era preservado en manuscritos y códices, los que se resguardaban por las monarquías en bibliotecas (como la de Alejandría) o a través de los asesores del grupo en el poder. Los monasterios occidentales durante la Edad Media fueron los principales centros de conocimiento, gracias a los eruditos que contribuyeron a forjar el pensamiento de la época, ejemplo de este modelo es Santo Tomás de Aquino, así como Gaunilón de Marmoutier o los conocidos como monjes copistas, que dedicaron su vida a transcribir los textos en pergaminos hasta la llegada de la imprenta que posibilitó la difusión del conocimiento, gracias a la labor de Martín Lutero, traductor de la Biblia y gran enseñante gracias a la reforma protestante. En esa época, la divulgación de la cultura era controlada por la iglesia a través de la enseñanza, y debe tenerse claro, que un autor debía pasar por aprobación, o hasta censura, de las autoridades eclesiásticas para poder publicar. El Renacimiento provocó la aparición de la ciencia como la conocemos actualmente. El profesor Fritz K. Ringer, un estudioso de los sistemas educativos en Europa Continental, donde se dio el nacimiento de “la ciencia moderna”, establece que durante ese tiempo se fue desarrollando una cultura académica Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 5 �El divulgador de ciencia y tecnología / Roberto Rebollosos Gallardo que la definió como “La red de creencias explícitas e interrelacionadas sobre las prácticas académicas de enseñanza, aprendizaje e investigación y sobre su importancia social”.6 En este sentido para Ringer, a partir de sus trabajos comparativos de los sistemas educativos europeos, ha quedado muy claro que hay una distancia entre el método literario y el método científico, no sólo como una cuestión pedagógica, sino como un dilema moral acerca del futuro de la colectividad nacional.7 Es importante notar que además de la evolución de las universidades en relación a la ciencia, ésta empieza a tomar valor junto con la tecnología para la clase dominante de comerciantes y militares, que inician la gestación de sus propios espacios de divulgación-educación y, paralelo a esto, la reunión independiente de los científicos en sus propias organizaciones. La trayectoria de la enseñanza de la ciencia en las universidades ha corrido a lo largo de la historia reciente como si la tradición humanista y la tradición científica fueran diferentes. De hecho las universidades mexicanas han mantenido el modelo napoleónico, que implica que se enseñen por un lado, las humanidades y por el otro, las disciplinas científicas, sin contacto con las humanidades. Lo que a la vuelta del tiempo ha generado dos visiones opuestas, los que utilizan el método científico para explicar los distintos fenómenos en base a la observación y la experimentación y los que emulando el modelo científico intentan comprender el comportamiento humano, en forma especulativa, como es el caso de las disciplinas como la psicología y la sociología. El uso del método científico como recurso total, error conceptual que supone que el conocimiento científico es suficiente al hombre, así como su contrario, suponer que no es necesaria la ciencia, llevan a una visión parcial del mundo. Esto es, la ciencia nos prepara para llegar al conocimiento de las leyes de la naturaleza, las cuales son fundamentales para la transformación de la misma, pero en ausencia de ética, no nos prepara para usar las tecnologías correctamente en bien de la humanidad, de donde se desprende la importancia de desarrollar nuevos métodos inter y multidisciplinarios para explicar y comprender la realidad.8,9 En los últimos años el resguardo y divulgación del conocimiento científico está viviendo una transición radical. El conocimiento pasó del papel a archivos electrónicos, en medio de efímeros cambios de formatos físicos de almacenamiento, e incluso al ciberespacio que representa el Internet. Esto está llevando de momento a la necesidad de tener copias múltiples de la información y éstas deben estarse renovando en cuanto a su formato ya sea físico o de programa lector frecuentemente. En otro sentido, la divulgación de la ciencia ha sido ampliada a los medios de información, esto es, se han ganado espacios en radio, televisión, periódicos, revistas y sobre todo Internet, pero no siempre con el rigor debido, pues muchas veces son periodistas o gente bien intencionada quienes hacen esta divulgación, sin estar capacitados para ello. 6 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �El divulgador de ciencia y tecnología / Roberto Rebollosos Gallardo EL DIVULGADOR El problema en cuestión que aquí se plantea es el papel que juega la cultura en la percepción del investigador, sea este hombre de letras, humanista o agente de lo científico, en el sentido de que no se puede prescindir de los otros campos disciplinarios. Estas ideas ya las había esbozado muy claramente Charles Percy Snow en su libro Las dos culturas (1959),10 por un lado los intelectuales y por el otro, los científicos, y donde reconocía la existencia y necesidad de una tercera categoría de personajes que era necesario identificar, los científicos que al mismo tiempo eran capaces de trabajar en un laboratorio y que podían escribir un libro no necesariamente científico, como es el caso de Norbert Wiener, Albert Einstein y Werner Heisenberg. A estos C.P. Snow los consideró como una “tercera cultura” que salva la brecha entre hombres de letras y hombres de ciencia Por otro lado, esta polémica nos llega a través de Robert Merton, Bruno Latour y Karin D. Knorr Cetina, quienes hablan de comunidades científicas o arenas transepistémicas de investigación.11 El argumento principal de KnorrCetina es “que las ‘arenas’ de acción dentro de las cuales procede la investigación científica (de laboratorio) son transepistémicas, esto es, incluyen en principio a científicos y a no científicos, y abarcan argumentos e intereses de naturaleza tanto ‘técnica’ como ‘no técnica’ ”.12 Es de todos conocido que el término comunidad científica no refleja naturalmente al conjunto de científicos en su totalidad, pues siempre hay ciencias que se consideran más duras, según se argumenta por su mayor rigor, sin embargo la ciencia en cualquier ámbito requiere el mismo rigor y la clasificación de ciencia dura obedece más bien al tipo de prueba que ésta requiere. En las llamadas ciencias duras una opinión, o miles, sosteniendo un argumento no constituyen una prueba, aquí la opinión del observador no cuenta y debe ofrecer evidencia fundamentada, que soporte el rigor de la reproducibilidad en otros marcos y efectuada por otros científicos independientemente. Este rigor puede ser una limitante para la divulgación abierta de los conocimientos generados, pues el científico está constantemente sujeto al escrutinio de sus trabajos, de modo que la comunicación viene a darse únicamente en foros y publicaciones especializadas, ya que por lo general muchos científicos difícilmente cruzan la frontera de su propia especialidad, menos de las ciencias “duras” a las ciencias humanas y muchos menos todavía del área humanista hacia el área científica o ingenieríl que no aceptarán como pruebas argumentos basados únicamente en opiniones y citas. La argumentación anterior nos está sugiriendo la urgencia por una formación intrauniversitaria y extrauniversitaria, de escritores y audiencia que sean capaces de cruzar la frontera entre lo científico-tecnológico y lo social, según lo esboza John Brokman, un difusor de esta nueva idea quién subraya que “La emergencia de la tercera cultura introduce nuevos modos de discurso intelectual… A lo largo de la historia, la vida intelectual se ha caracterizado por el hecho de que sólo un pequeño número de personas han realizado el pensamiento serio por todos los demás. Lo que estamos observando ahora es el paso de la antorcha de un grupo de pensadores, los intelectuales literarios, a un nuevo grupo, los intelectuales de la emergente tercera cultura”.13 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 7 �El divulgador de ciencia y tecnología / Roberto Rebollosos Gallardo En base al planteamiento de Brokman, no puede uno dejar de pensar en personalidades como Carl Sagan, Isaac Asimov y Jared Diamond, entre otros, quienes se mueven fácilmente de un campo a otro y que son un retrato vivo de esta nueva figura que es necesario caracterizar. Uno de los factores importantes en la futura formación de científicos y tecnólogos, es la generación de nuevos entornos universitarios que posibiliten esta formación interdisciplinaria en escuelas de ciencias, de ingenierías y de humanidades. Además de la importancia de la creación de nodos, facilitados hoy día por las tecnologías de información. Bajo el nuevo marco de la sociedad del conocimiento, se está posibilitando un nuevo profesional científico con capacidad para ventilar asuntos que cruzan las fronteras del conocimiento. Gabriel Zaid ha logrado caracterizar este nuevo personaje cuando dice “El intelectual es el escritor, artista o científico que opina en cosas de interés público con autoridad moral entre las élites”; “Los intelectuales construyen espejos de interés para la sociedad: para distanciarse de sí misma, desdoblarse, contemplarse, comprenderse, criticarse, fantasear. En el espejo de la página, crean experiencias especulativas, prácticas teóricas, ejercicios espirituales, donde la sociedad se reconoce como pensante, crítica, imaginativa, creadora, en movimiento”.14 Bajo esta óptica, Zaid, nos está invitando a considerar a los llamados “intelectuales públicos” quienes deben ser capaces de trasmitir a la sociedad la cultura que se desarrolla en los centros de investigación y las universidades. Por otro lado los divulgadores requieren de receptores cuya cultura general les permita captar, y hasta disfrutar la información que se les pueda brindar. Se podría pensar que no hay interés en leer artículos sobre ciencias, pero la realidad es que el interés es tal que ha dado lugar a que diversos actores llenen ese espacio con presentaciones de baja calidad que rayan en la charlatanería. Los pseudodivulgadores han encontrado un espacio en el mercado del entretenimiento, alimentado por la curiosidad, el morbo y el deseo de que la realidad sea diferente de cómo la percibimos, dando lugar a anuncios (los infomerciales) que no tienen más objeto que vender. La competencia que tiene la divulgación verdaderamente científica en la actualidad es impresionante, sobre todo en Internet en donde muchísimos trabajos que no han sido validados son tomados como verdades. Además hay que tener claro que si los científicos no procuran esta actividad otros lo harán… El divulgador de ciencia y tecnología actual debe ser una persona que domine la ciencia que va a explicar, pero que tenga la cultura necesaria para contextualizarla socialmente y que tenga las herramientas de comunicación necesarias para hacer llegar el mensaje correctamente al público especializado y a la sociedad en general. Lo anterior suena fácil, ha habido algunos casos aislados, pero los científicos no son preparados durante su proceso educativo para esto, por lo que hasta ahora resulta de una motivación individual y es auto desarrollada. Para que nuestra sociedad evolucione culturalmente es requisito que el estado, a través del sistema educativo y el de ciencia y tecnología, promueva la comunicación entre las diferentes áreas de la cultura y se incluya en el proceso educativo superior, curricular o extracurricularmente, herramientas de comunicación, estudios intradisciplinarios, una visión social de la ciencia, la tecnología, la ingeniería y las humanidades, y sobre todo una actitud profesional dirigida al bien común. 8 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �REFERENCIAS 1. Basalla, George, 1967, The spread of western science, Science, May 5, pp.611622. 2. Mardones, José María, 2003, Filosofía de las ciencias humanas y sociales. Materiales para una fundamentación científica, Barcelona, Anthropos Editorial. 3. Kuhn, Thomas, 1972, The Structure of scientific revolutions, Chicago, The Chicago University Press. 4. Burke, Peter, 2002, Historia social del conocimiento. De Gutenberg a Diderot, Barcelona, Paidos. 5. Dawson, Keith, 1972. The industrial revolution, London, Pan Books Ltd. 6. Wacquant, J.D. 1995, Towards an archeology of academy: A critical Appreciation of Fritz Ringer´s “Fields of Knowledge”. Acta Sociológica 38: 181-186. 7. Ringer, Fritz K., 1995, El ocaso de los mandarines alemanes. Catedráticos, profesores y la comunidad académica alemana, 1890-l933, Barcelona, Ediciones Pomares-Corredores. 8. Paul Ricoeur, 1977, Expliquer et comprendre, Revue Philosophique De Louvam, tome 75 quatrieme serie, No.25, pp.126-147. 9. Morin, Edgar, 1999, Los siete saberes necesarios para la educación del futuro, Paris, UNESCO. 10. C.P. Snow, 1993, The two cultures. Cambridge University Press Cambridge, U.K. 11. Knorr-Cetina, Karin D., 1996, ¿Comunidades científicas o arenas transepistémicas de investigación? Una crítica de los modelos cuasieconómicos de la ciencia. Redes, Vol. III, No. 7, septiembre, pp.138-160. 12. Knorr-Cetina, Karin D. y Michael Mulkay, 1983, Introduction: Emerging principles in social studies of science, in Science observed on the social studies of science, London, Sage, pp.1-17. 13. Brockman, John, 1995, La tercera cultura: Más allá de la revolución científica. Simon & Schuster. US. 14. Zaid, Gabriel, 1990, Intelectuales, Vuelta, 168 noviembre, pp.21-23. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 9 �Centenario de la superconductividad J. Rubén Morones Ibarra Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, UANL rmorones@fcfm.uanl.mx RESUMEN En el año de 1911, el físico holandés Kamerling Onnes, estudiando la forma como varía la resistencia eléctrica en un anillo de mercurio, encontró que esta desaparecía a la temperatura de 4.2 K. Kamerlingh Onnes le llamó a este fenómeno superconductividad. Desde entonces los investigadores de este campo han tratado de explicar el fenómeno. En 1957 se logró una explicación, sin embargo, en 1986 aparecieron los superconductores cerámicos de alta temperatura crítica, para los cuales esta explicación no era satisfactoria. La búsqueda de la explicación del fenómeno continúa hasta nuestros días, así como las aplicaciones de este fenómeno. PALABRAS CLAVE Superconductividad, superconductores, Efecto Meißner. Heike Kamerlingh Onnes [1853-1926]. ABSTRACT In 1911, Dutch physicists Kamerling Onnes, carrying out studies on the temperature dependence of the electrical resistance in a ring of mercury, found that the resistance disappeared suddenly at 4.2 K. Kamerling Onnes called superconductivity to this phenomenon. Since that time, researchers have been trying to understand and explain the phenomenon. In 1957 scientist found an explanation, however, in 1986 a new kind of superconductors of high critical temperature, for which the theory does not work, were found. The search for the explanation of superconductivity at high temperature is still a challenge for scientist. KEYWORDS Superconductivity, superconductors, Meißner Effect. INTRODUCCIÓN Hace cien años, en los primeros meses de 1911, el físico holandés Kamerlingh Onnes [Groninea, Países Bajos, 21 de septiembre de 1853-Leiden, 21 de febrero de 1926], realizando experimentos de flujo de corriente eléctrica en un anillo de mercurio en estado sólido a la temperatura de 4.2 K, observó que la resistencia eléctrica desaparecía repentinamente. Kamerlingh Onnes llamó a este fenómeno superconductividad y al material que la presenta le llamó superconductor. Ambos términos dan perfecta cuenta de lo que se quiere describir.1 10 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Centenario de la superconductividad / J. Rubén Morones Ibarra Fig. 1. Se muestra la curva de temperatura contra resistividad del compuesto YBa2Cu3O7, puede notarse la súbita desaparición de la resistividad al enfriar la muestra. En su interpretación más simple, la superconductividad es el fenómeno que se observa en un material como consecuencia de la pérdida de la resistencia eléctrica. En este fenómeno la oposición al paso de la corriente eléctrica es nula, por lo cual no hay pérdida de energía por disipación de calor. La superconductividad, que se observó primeramente en el mercurio, fue observada posteriormente en otros metales cuando estos se enfrían por debajo de una temperatura característica llamada temperatura crítica TC (figura 1). En realidad, el fenómeno de la superconductividad no es solamente resistencia cero, sino que involucra otros efectos como el de la expulsión del campo magnético del interior del material, de lo cual se hablará posteriormente en este escrito. La historia de la superconductividad y otros fenómenos de las bajas temperaturas inicia con el estudio de la licuefacción de los gases. El intento por licuar los gases atrajo fuertemente la atención de los científicos al finalizar el siglo XIX. Había en esa época gran interés por conocer las propiedades de los gases en estado líquido. Esta inquietud impulsó la ciencia de la criogenia, que se ocupa del estudio de las bajas temperaturas, la cual se desarrolló notablemente con los avances en las técnicas de enfriamiento. Durante el período de 1877 a 1898, se logró la licuefacción del oxígeno y del hidrógeno, no quedando ninguno de los gases por licuar, excepto el helio. Se habían alcanzado temperaturas de 20 K, pero para la licuefacción del helio se requerían temperaturas todavía más bajas, cercanas al cero absoluto. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 Cuando se logró la licuefacción del helio se consiguieron temperaturas suficientemente bajas que permitieron el descubrimiento de la superconductividad. Desde su descubrimiento, la superconductividad fue por mucho tiempo un fenómeno de las muy bajas temperaturas, muy cerca del cero absoluto, pues para lograr el estado superconductor, se requirieron temperaturas de 4 K. Dado que estas temperaturas se logran solamente con helio líquido, siendo el helio un elemento escaso aquí en la Tierra, resulta costoso obtenerlo, y todavía es más costoso licuarlo y conservarlo en estado líquido. Por otra parte es difícil evitar “fugas de frío” (que el calor entre al sistema con helio líquido) donde se pierde el estado superconductor. Este hecho restringió fuertemente el aprovechamiento tecnológico de la superconductividad. En un principio, la fabricación de equipos que utilicen superconductores no fue considerado. No fue sino hasta 1986, año en el que tuvo lugar un descubrimiento extraordinario, cuando se comenzó a pensar seriamente en la tecnología basada en los materiales superconductores. En ese año se descubrió una aleación cerámica que es superconductora a la temperatura de -216°C. Este hecho desató el entusiasmo de científicos y tecnólogos ya que con ello se abría el camino para grandes desarrollos tecnológicos. CONDUCCIÓN DE ELECTRICIDAD EN LOS METALES La explicación de la gran capacidad para conducir la electricidad de los metales se basa en la hipótesis de que los electrones en los metales tienen una gran facilidad para moverse. En la mayoría de los metales cada átomo tiene uno o dos electrones débilmente ligados. En los metales en estado sólido los átomos forman una estructura cristalina, un arreglo periódico, donde los electrones de la última capa atómica, llamados electrones de conducción, se pueden mover libremente. Estos electrones de conducción son los que transportan la corriente eléctrica en el metal. El resto de los electrones del átomo permanecen ligados formando un ión positivo que vibra en la estructura cristalina alrededor de una posición de equilibrio, como un oscilador armónico cuántico. La gran movilidad de los electrones de 11 �Centenario de la superconductividad / J. Rubén Morones Ibarra conducción es lo que explica que los metales sean buenos conductores de la electricidad. Aún cuando el concepto de resistividad es el adecuado para interpretar los fenómenos de resistencia eléctrica en el nivel microscópico, en este artículo se usará la palabra resistencia eléctrica en vez de resistividad, para no introducir complicaciones innecesarias. En la primera teoría para explicar el origen de la resistencia eléctrica introducida por P. Drude y H. A. Lorentz entre 1902 y 1909, se supone que los electrones pierden energía mediante los choques con los iones positivos de la red cristalina. Esto se manifiesta macroscópicamente como la resistencia. Este modelo da resultados muy satisfactorios a temperaturas ambientales y si los cálculos se realizan usando la descripción cuántica tanto para el electrón como para los metales, los resultados permanecen correctos para un intervalo muy amplio de temperaturas.2 DEPENDENCIA DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA CON LA TEMPERATURA Desde antes del descubrimiento de la superconductividad ya se habían realizado estudios sobre la resistencia eléctrica en los metales encontrándose que ésta disminuye al disminuir la temperatura. Los investigadores se habían hecho la pregunta de qué pasaría con la resistencia eléctrica de un metal al acercarse al cero absoluto de temperatura. Paul Karl Ludwing Drude [1863-1906]. 12 Hendrik Antoon Lorentz [1853-1928]. Sin embargo, cuando se logra la liquefacción del hidrógeno a la temperatura de 20.4 K, en el año de 1898, se realizaron una serie de experimentos sobre la resistencia eléctrica en metales, cuyos resultados mostraban una fuerte desviación de lo que predecía la física conocida en esos días. También, en el estudio de los calores específicos de los sólidos, la física fracasaba al tratar de explicar los resultados. Por otra parte, Dewar, experimentando a la temperatura del hidrógeno líquido con la resistencia eléctrica del platino, encontró que ésta disminuía más lentamente de lo que la teoría indicaba. Estas observaciones y otras más mostraban que la física requería de algunas ideas nuevas. Nadie preveía por esos días que se estaba en el umbral de una revolución científica la cual traería el nacimiento de la teoría cuántica. En el caso de una estructura cristalina perfecta, la mecánica cuántica predice que el electrón no chocará (no disipará su energía) al moverse a través del cristal. Esto indica que la resistencia eléctrica proviene de las imperfecciones de la red cristalina y/o de las impurezas. Como las imperfecciones siempre existen, y son imposibles de eliminar, sea por impurezas o por defectos de la red, se esperaba que la resistencia eléctrica siempre esté presente, aún en el cero absoluto. Sin embargo, todavía había nuevas sorpresas en el estudio de las bajas temperaturas. Sir James Dewar [1842-1923]. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Centenario de la superconductividad / J. Rubén Morones Ibarra EL CAMINO HACIA LAS BAJAS TEMPERATURAS El descubrimiento de la superconductividad está íntimamente relacionado con el estudio de las bajas temperaturas. Podemos decir, en un sentido figurado, que la historia de la superconductividad empezó en el invierno de 1877 en la Academia de Ciencias de París. El 24 de diciembre de ese año, en la reunión semanal de la Academia, se anunció una conferencia dictada por el ingeniero Louis Cailletet. Se había comentado con anticipación que en esa conferencia se haría el anuncio de algo importante. Efectivamente, el ingeniero Cailletet informó a la Academia que había logrado licuar el oxígeno y daba cuenta de un nuevo método de refrigeración descubierto por él.3 En su intento por licuar los gases los científicos del siglo XIX pensaban que estos se podían licuar sometiéndolos a una presión lo suficientemente elevada sin necesidad de bajar la temperatura. Experimentalmente llegaron a la conclusión de que había unos gases, entre los que se encontraban los componentes del aire, como el oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno que no podían licuarse aún a las presiones más elevadas que podían lograr. Un cambio drástico se dio en la estrategia para licuar gases cuando se encontró experimentalmente que cada gas tiene una temperatura crítica, por encima de la cual no es posible licuarlo a ninguna presión. En su conferencia de diciembre de 1877, Cailletet expuso su descubrimiento de que es posible bajar la temperatura al comprimir un gas y permitir luego Louis Paul Cailletet [1832-1913]. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 su expansión. Fue este desarrollo del proceso de enfriamiento por expansión, el que permitió a Cailletet licuar el oxígeno en el año de 1877 a la temperatura de 90.2 K. El helio es la sustancia con menor punto de ebullición, lo que significa que es la sustancia más difícil de licuar. Por este motivo es utilizado ampliamente como refrigerante en estudios de los fenómenos de las bajas temperaturas. En el camino hacia las bajas temperaturas la licuefacción del helio era la meta ya que éste era el último de los gases permanentes, nombre que se le dio debido a la gran dificultad que presentaba para licuarlo. Finalmente, en el año de 1908, Kamerlingh Onnes logra licuar el helio a la temperatura de 4.2 K (figura 2). Este fue el antecedente necesario para el descubrimiento de la superconductividad. Fig. 2. Dibujo realizado por Heike Kamerlingh Onnes del equipo que utilizo en su laboratorio de la Universidad de Leiden en los Países Bajos, para licuar el helio en 1908. EL DESCUBRIMIENTO DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD Una vez licuado el helio los investigadores se encaminaban hacia las temperaturas más bajas del universo, poniéndose en el camino hacia el cero absoluto. Kamerlingh Onnes, que era el líder de las bajas temperaturas, se propuso solidificar el helio. En su intento se dio cuenta que el helio permanecía líquido aún a la temperatura de 1 K. Se había llegado al límite de la tecnología disponible en esa época para bajar la temperatura sin lograr la transición de fase de líquido a sólido para el helio. 13 �Centenario de la superconductividad / J. Rubén Morones Ibarra Dada la dificultad que encontró en sus pretensiones de solidificar el helio, Kamerlingh Onnes desvió un poco su línea de investigación para estudiar la resistencia eléctrica a las temperaturas tan bajas que había logrado con el helio líquido. Se interesó en estos fenómenos debido a que existían dos teorías opuestas sobre la resistencia de un material al descender la temperatura. Una de estas teorías provenía directamente de los resultados experimentales, los cuales indicaban que al extrapolar los resultados a temperaturas muy bajas, la resistencia desaparecería. La otra teoría establecía que al llegar la temperatura cerca del cero absoluto los electrones perderían movilidad y se “pegarían” a los átomos dando como resultado una resistencia muy grande. Como resultado de estas investigaciones Kamerlingh Onnes descubrió el fenómeno de la superconductividad. Realizando estudios sobre la corriente eléctrica que fluye por un anillo de mercurio encontró que a la temperatura de 4.18 Kelvin la resistencia eléctrica en el anillo desaparece súbitamente. Observó que la corriente en el anillo de mercurio se mantenía circulando durante semanas, sin ninguna pérdida de intensidad por generación de calor. En el experimento que condujo al descubrimiento de la superconductividad se construyó un anillo con mercurio sólido (el mercurio se solidifica a una temperatura de -39 grados Celsius), y se enfrió aún más con helio líquido. Mediante el método de inducción electromagnética se inducía una corriente eléctrica en el anillo. Haciendo variar la Paul Ehrenfest, Hendrik Lorentz, Niels Bohr y Heike Kamerlingh Onnes en el laboratorio de Criogenia de la Universidad de Leiden, en 1919. 14 temperatura, se encontró que al llegar a los 4.18 K el mercurio perdió totalmente la resistencia eléctrica, convirtiéndose la muestra en un conductor perfecto. El fenómeno que se observó fue totalmente inesperado debido a que la resistencia eléctrica no desapareció gradualmente, sino de una manera abrupta. Aun cuando no había ninguna fuente de fuerza electromotriz, la corriente eléctrica en el anillo continuó durante varios días sin sufrir ningún cambio en su intensidad. Esta es una de las características de la superconductividad. De no ser por este fenómeno la corriente eléctrica en el anillo de mercurio se hubiera mantenido solo unas cuantas décimas de segundo. En principio, si se mantienen las mismas condiciones, al producirse una corriente eléctrica en el anillo esta permanecerá para siempre. Se han realizado experimentos de este tipo con diversos materiales que se presentan en estado superconductor, observándose que la corriente persiste por años sin necesidad de una fuente de energía externa que la alimente. Kamerlingh Onnes recibió el premio Nobel de física en el año de 1913. Extrañamente, el Comité que le otorgó el Premio Nóbel, no hizo mención alguna al descubrimiento de la superconductividad. En su anuncio del Premio, el Comité declaró que se le otorgaba el Premio Nóbel de Física “Por sus investigaciones de las propiedades de la materia a bajas temperaturas que condujeron, entre otras cosas, a la producción del helio líquido”.4 Esto ocurrió a pesar de que en esos días se le otorgó gran importancia al fenómeno de la superconductividad, el cual estuvo íntimamente ligado a la producción del helio líquido. EFECTO MEIßNER En el año de 1933 el físico alemán Frits Walter Meißner descubre que una sustancia en estado superconductor, además de tener resistencia eléctrica nula, presenta la característica de que se convierte en un material diamagnético ideal, es decir, presenta diamagnetismo perfecto. Este fenómeno consiste en que el material expulsa al campo magnético de su interior. A este fenómeno se le conoce como efecto Meißner.5 En el fenómeno de la superconductividad aparece también, además de resistencia eléctrica Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Centenario de la superconductividad / J. Rubén Morones Ibarra Fritz Walter Meißner [1882-1974]. cero, el efecto Meißner. Sin embargo, si se somete a la muestra superconductora a un intenso campo magnético externo, puede desaparecer el estado superconductor aún cuando la muestra se mantenga a una temperatura por debajo de la TC. El valor máximo del campo magnético que puede aplicarse a la muestra sin destruir el estado superconductor, se conoce como Campo Crítico (CC). Esto implica que en una muestra de material superconductor no puede penetrar un campo magnético cuando este tiene un valor por debajo del CC. Un conductor perfecto es un conductor de resistencia cero, pero esto no implica que sea un superconductor. Para esto se requiere que expulse de su interior al campo magnético, es decir que se presente también el efecto Meißner. Cuando se aplican las ecuaciones del electromagnetismo a un conductor perfecto se obtiene que el campo magnético en el interior del conductor debe ser constante. Para explicar la diferencia entre un conductor perfecto y un superconductor hagamos el siguiente experimento mental. Tomemos una muestra de un material que exhibe el fenómeno de conductor perfecto por debajo de una temperatura crítica TC. Si inicialmente la muestra está por encima de la TC y le aplicamos un campo magnético externo constante, este campo penetra en el interior del material, permaneciendo constante. Si ahora bajamos la temperatura por debajo de TC, observaremos que el campo magnético se mantiene constante en el interior del ahora conductor perfecto. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 Fig. 3. Expulsión de campo magnético. Hagamos el mismo experimento pero ahora con una muestra que exhibe el fenómeno de superconductividad por debajo de la temperatura TC. Lo que observamos es que al alcanzar la temperatura TC, el campo magnético es expulsado del material, es decir, desaparece el campo magnético del interior de la muestra. Este fenómeno en el que se expulsa el campo magnético del superconductor es el efecto Meißner. El efecto Meißner no tiene que estar presente en un conductor perfecto. En síntesis: La principal diferencia entre un conductor perfecto y un superconductor es que en el superconductor aparece, además de resistencia cero, el efecto Meißner, mientras que en el conductor perfecto solo se observa la resistencia cero. Un superconductor es entonces un conductor perfecto donde además se presenta el efecto Meißner. Por otra parte, los resultados mencionados para los conductores perfectos son predichos por la teoría, pero no han sido confirmados experimentalmente ya que los únicos conductores perfectos que se han encontrado son los superconductores. EXPLICACIÓN DEL FENÓMENO DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD La explicación del fenómeno de la superconductividad presentó por mucho tiempo grandes dificultades. Como es natural, inicialmente se buscó entender el fenómeno interpretándolo en 15 �Centenario de la superconductividad / J. Rubén Morones Ibarra base a las teorías conocidas, sin embargo todos los intentos fueron infructuosos pues para la explicación microscópica del fenómeno hay que apoyarse en la teoría cuántica, una teoría que todavía no existía. La teoría cuántica, que es la que describe los fenómenos del mundo de los átomos y los electrones, se consolidó al finalizar la década de 1920, pero aún así el fenómeno de la superconductividad resultó tan complejo que tuvo que esperar hasta el año de 1957 para ser satisfactoriamente explicado. En el caso de los metales, ya se había observado que la resistencia eléctrica disminuye al bajar la temperatura. La explicación era que las vibraciones de la red disminuyen, lo que provoca la correspondiente disminución de los choques entre electrones y la estructura cristalina de la red. Sin embargo, la resistencia cero en el estado superconductor requiere más elementos para ser explicada. Como ya se mencionó, un conductor perfecto no es un superconductor. El fenómeno de la superconductividad va acompañado del efecto Meißner, el cual da lugar al fenómeno de la levitación magnética. Estos dos efectos tenían que ser explicados por la teoría que se formulase. La explicación por largo tiempo buscada del fenómeno de la superconductividad en los metales fue dada en el año de 1957 por el físico John Bardeen, en compañía de Leon Cooper y Robert Schrieffer. Por este desarrollo teórico que explica el fenómeno de la superconductividad, los tres científicos recibieron el Premio Nobel de física en 1972. En honor a ellos la teoría de la superconductividad se conoce como Teoría BCS, por las iniciales de sus apellidos.6 De paso diremos que John Bardeen ya había obtenido el Premio Nóbel de Física en el año de 1956, junto con William Schokley y Walter Brattain, por la invención del transistor, convirtiéndose así en la primera persona en ganar dos veces el Premio Nóbel de física. La idea central de la explicación teórica del fenómeno se puede expresar en forma simplificada de la siguiente manera. Sabemos que en un circuito superconductor una corriente eléctrica permanece sin pérdida de intensidad durante varios años sin necesidad de una fuente externa de energía. En el caso de los superconductores metálicos, la teoría BCS explica el fenómeno mediante el concepto de Pares de Cooper. Esta idea establece que en el estado superconductor, los electrones se aparean, es decir, forman parejas, las cuales se mueven en el metal sin chocar con la estructura cristalina. Puesto que la resistencia eléctrica se debe a los choques de los transportadores de carga con la red cristalina, al no haber choques esto trae como consecuencia que la resistencia eléctrica desaparezca. El fundamento de las ideas que explican la superconductividad, descansa en el concepto de Pares de Cooper. De acuerdo con esto los electrones en su movimiento en la red cristalina del metal, distorsionan la estructura de la red produciendo una atracción entre pares de electrones. De una manera semejante a como sucede en la formación de un átomo de hidrógeno, donde un protón y un electrón se atraen debido a la fuerza eléctrica, uniéndose para formar el estado ligado que es el átomo de hidrógeno, los pares de Cooper son estructuras de dos electrones ligados débilmente como consecuencia de la interacción de estos con la red cristalina. Aún cuando los electrones tienden a repelerse como consecuencia de que sus cargas son del John Bardeen [1908-1991]. Robert Schrieffer [1931-]. Leon N. Cooper [1930-]. 16 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Centenario de la superconductividad / J. Rubén Morones Ibarra mismo signo, su interacción mutua a través de la interacción intermedia con la red cristalina, produce una débil atracción que es suficiente para dar lugar a la existencia de un estado ligado de los dos electrones. Los resultados cuantitativos de esta teoría describen satisfactoriamente lo que ocurre en los superconductores conocidos en esa época. NUEVAS SORPRESAS DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD Los estudiosos de la superconductividad habían logrado algunos avances modestos en cuanto a la búsqueda de nuevos materiales superconductores. En el año de 1954 el material superconductor de temperatura más alta era una aleación a 18 K. En 1973 se logró la superconductividad en un material a 23.2 K. Después de muchos años de trabajo en todo el mundo buscando avances en los estudios sobre la superconductividad, en enero de 1986 tuvo lugar un acontecimiento notable. En un laboratorio de Zurich en Suiza, los físicos Karl A. Muller y George Bednorz lograron un salto cuantitativo al producir un óxido cerámico superconductor a 35 K. Se dice que estos dos científicos iniciaron la carrera por la búsqueda de los superconductores de alta temperatura. Muy poco tiempo después, otro descubrimiento sorprendente tuvo lugar en los laboratorios de física de la universidad de Huntsville, Alabama. El físico Maw-Kuen Wu y su equipo, obtienen una muestra superconductora a 90 K. Trece grados por arriba de la temperatura del nitrógeno líquido.7 Esto significa Karl Alex Muller [1927-] y Johannes George Bednorz [1950-]. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 el inicio de una era de la tecnología basada en la superconductividad, pues el nitrógeno líquido, que se aprovecharía para mantener la temperatura del estado superconductor, es un producto comercial relativamente barato. Recién descubierto el fenómeno de la superconductividad de alta temperatura en materiales cerámicos en 1986, los científicos le dieron vuelo a la imaginación y concibieron un mundo nuevo, fascinante, basado en la tecnología de la superconductividad. Imaginaron que el impacto de esta tecnología transformaría la vida cotidiana en todo el mundo. Los ingenieros y científicos rebosaban de alegría pensando en un mundo espectacular de desarrollos tecnológicos nuevos. Sin embargo, no hay que olvidar que lo que puede ser posible desde el punto de vista de la ciencia puede no serlo desde la óptica de la tecnología o de la economía. EL CONGRESO DE LA APS DE MARZO DE 1987 En enero de 1987 se descubren los materiales con propiedades superconductoras a temperaturas por encima de las del nitrógeno líquido. De pronto la imaginación de los científicos e ingenieros se echó a volar y se pensó en las aplicaciones de este fenómeno a líneas de transmisión de electricidad con cero pérdidas de energía, de trenes levitando magnéticamente y muchas maravillas más. Los medios de comunicación anunciaban al mundo las nuevas tecnologías y la palabra superconductividad se volvió muy familiar en el mundo de las personas que escuchan las noticias por televisión. La gente común empezó a oír el término superconductividad, algo completamente desconocido para ellos pero que empezaba a sonar fuerte asociándolo con un mundo fantástico. Esta fue la causa del entusiasmo que despertó en el público el Congreso Nacional de Física de la American Physical Society (APS), celebrado en Nueva York, EUA, en marzo de 1987. El interés que generó la superconductividad de alta temperatura hizo que se desbordaran los ánimos entre los físicos que asistieron al Congreso de la APS en N. Y. en 1987. Fue ese un momento tan emocionante en la historia de la física del siglo XX, que ha sido llamado el Festival de Woodstock 17 �Centenario de la superconductividad / J. Rubén Morones Ibarra de la Física, en franca alusión al famoso festival de Rock de 1969. En una de las salas donde se presentaría una conferencia sobre superconductividad, cuatro mil personas esperaban para entrar a la conferencia. Unos a otros se empujaban para entrar al salón que tenía una capacidad para 1,200 personas. Al día siguiente el New York Times bautizó al congreso como el Woodstock de la física . El físico George Johann Bednorz, uno de los descubridores de los materiales superconductores de alta temperatura crítica, fue una de las estrellas del famoso Congreso anual de la APS en 1987. Ese mismo año G. Johann Bednorz ganaría el premio Nóbel de física compartiéndolo con Karl Alex Muller, otro de los descubridores de estos superconductores. LA SUPERCONDUCTIVIDAD La teoría BCS que exitosamente explicó la superconductividad en los metales, resultó inapropiada para explicar la superconductividad de alta temperatura. La idea simple de superconductividad presentada en la introducción de este artículo, muestra solo un aspecto cualitativo del fenómeno, sin embargo el fenómeno involucra situaciones muy complejas. Hasta el momento no se cuenta con una teoría que explique la superconductividad en las aleaciones cerámicas. Esto representa una oportunidad para las nuevas generaciones de físicos, e ingenieros interesados en este tema, de contribuir al conocimiento científico aportando ideas para la explicación del fenómeno de la superconductividad de alta temperatura. SUPERCONDUCTORES TIPO I Y TIPO II La clasificación actual de los materiales superconductores los divide en dos tipos, identificados como superconductores tipo I y tipo II. Esta clasificación está basada en el comportamiento de los materiales superconductores cuando se colocan en campos magnéticos. Los superconductores tipo I son aquellos que al colocarlos en un campo magnético externo, sufren una transición abrupta del estado Meißner al estado normal. En este tipo de superconductores existe un valor crítico del campo 18 magnético externo (CC) por encima del cual el campo penetra totalmente en el material haciendo desaparecer repentinamente el estado superconductor.8 Los superconductores tipo II, en cambio, sufren una transición del estado Meißner a otro de penetración parcial del campo magnético cuando este tiene un valor CC1, manteniendo sin embargo la resistencia cero. De aquí en adelante, el campo magnético continúa penetrando hasta que se alcanza el estado normal a un valor CC2 del campo magnético externo, desapareciendo la superconductividad. En este tipo de materiales el estado superconductor desaparece hasta que se alcanza el segundo valor crítico CC2. SUCESOS HISTÓRICOS DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD En el desarrollo histórico de la superconductividad encontramos que este fenómeno se descubre en el mercurio, posteriormente en el estaño y después en el plomo. Todos ellos a temperaturas de entre 4 y 7 K. Otros elementos químicos fueron agregados posteriormente. Para 1930 el elemento químico (metal) de más alta TC era el Nb con TC= 9.2 K y después de 20 años se encuentran materiales formados por aleaciones que son superconductores. Posteriormente en los años setenta se descubren los superconductores orgánicos y algunos años después, en 1986 se descubren los cupratos superconductores de alta temperatura. En la actualidad, a cien años del descubrimiento del fenómeno, encontramos superconductores de TC igual a 160 K. Durante los años de 1950-1960 Bernard T. Mathias formó más de 3,000 aleaciones diferentes buscando una que fuera superconductora a una TC elevada, sin tener éxito.9 La superconductividad se ha encontrado también en materiales orgánicos, en polímeros y en fulerenos, pero todavía no se conoce la explicación del fenómeno de la superconductividad de alta TC. Las observaciones de los materiales estudiados y los resultados experimentales obtenidos, parecen indicar que la superconductividad es incompatible con el magnetismo ya que no se han encontrado hasta ahora superconductores formados por compuestos magnéticos. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Centenario de la superconductividad / J. Rubén Morones Ibarra APLICACIONES DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD La lista de aplicaciones de la superconductividad es inmensa, pero dado que el fenómeno de la superconductividad solo se observaba a temperaturas cercanas a las del helio líquido, la posibilidad de uso práctico se reducía por incosteabilidad económica. La obtención y mantenimiento del helio en estado líquido es un proceso muy caro y esto limitaba la explotación práctica del fenómeno de la superconductividad. Cuando se descubrió la superconductividad se pensó que la construcción de imanes superconductores que produjeran intensos campos magnéticos sería una realidad muy cercana. Pero esto no fue fácil y se tuvo que esperar hasta el año de 1950 para lograr la fabricación de los primeros imanes superconductores. Hoy en día es frecuente encontrar imanes superconductores en los grandes y medianos laboratorios de física. El ya popular aparato de Resonancia Magnética Nuclear usado para diagnóstico en medicina utiliza un imán superconductor. Aún en el caso de usar materiales superconductores que tengan que emplear helio líquido como refrigerante, cuyo costo es elevado, muchas veces esto resulta más barato que el uso de materiales conductores convencionales debido a la gran cantidad de energía que se requiere emplear en electroimanes convencionales. Comparado con las temperaturas más frías de la Tierra que oscilan entre los -60 y -70 grados Celsius, la temperatura de estado superconductor del mercurio, que es de -269 Celsius, convierte a la superconductividad en algo impráctico o con muy pocas posibilidades comerciales. Sin embargo, con los materiales superconductores de alta temperatura, el fenómeno es alcanzable a la temperatura del nitrógeno líquido. Como ya se mencionó, los ingenieros y científicos imaginaron grandes aplicaciones tecnológicas de la superconductividad: Imanes superconductores muy potentes, cables de transmisión de resistencia cero y trenes flotando sobre las vías por levitación magnética. Sin embargo, todo este entusiasmo se vino abajo debido a los altos costos de esta tecnología. A pesar de esto, se está en espera de una nueva revolución tecnológica que se piensa que puede tener un impacto comparable a la tecnología del transistor. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 Los superconductores son ampliamente usados en una gran variedad de instrumentos científicos de investigación y en la medicina. En la actualidad, la principal aplicación de la superconductividad es en la fabricación de los grandes electroimanes empleados en los laboratorios de física de altas energías, en los experimentos de fusión termonuclear y en los equipos de RMN (Resonancia Magnética Nuclear). Los enemigos de la superconductividad son el aumento de temperatura y la aparición de campos magnéticos por encima de los valores críticos, que destruyan las propiedades superconductoras. Estos dos factores hacen costosa esta tecnología. Con el descubrimiento de materiales que muestran superconductividad a temperaturas por encima de la del nitrógeno líquido este fenómeno adquiere un potencial de aplicaciones enorme. Por ser el nitrógeno líquido relativamente barato, esto lo convierte en un excelente refrigerante con aplicaciones en los procesos donde se utilicen materiales que son superconductores a temperaturas superiores a las del nitrógeno líquido. Los imanes superconductores tienen la característica de producir intensos campos magnéticos a muy bajo costo, aún cuando se requiera enfriarlos a muy baja temperatura. Si se lograra encontrar un material superconductor a temperatura ambiental podría utilizarse en líneas de transmisión de electricidad sin las pérdidas que ahora se tienen, las cuales provienen de la disipación de energía por medio del calor que se genera por efecto Joule. Gracias a la superconductividad los imanes de los equipos por resonancia magnética permiten generar grandes campos, los que permiten obtener mejores imágenes. 19 �Centenario de la superconductividad / J. Rubén Morones Ibarra Un logro de esta naturaleza produciría cambios en muchos campos de la tecnología. Los trenes que aprovechen la levitación magnética son un ejemplo. Por otro lado, uno de los sueños de los ingenieros ha sido el de lograr disminuir la resistencia eléctrica de los cables que se usan para transmisión del flujo eléctrico a grandes distancias. Ese sueño se remonta a la época en que se observó que la resistencia eléctrica de los metales como el cobre, disminuye al bajar la temperatura. Al descubrirse que se requieren temperaturas muy bajas para que se tenga una baja resistencia que haga atractivo el fenómeno, los ingenieros abandonaron la idea por resultar prácticamente incosteable comercialmente. Sin embargo, este sueño ha revivido con el descubrimiento de los materiales superconductores de alta temperatura. Los elementos de la tabla periódica en estado puro han proporcionado valiosa información en el estudio de la superconductividad, sin embargo, en aplicaciones a gran escala de este fenómeno como la fabricación de cables o alambres para imanes no han tenido ninguna contribución. Actualmente el mercado de superconductores lo forman principalmente los laboratorios que fabrican imanes y equipos de resonancia magnética nuclear y alambres que consisten de filamentos superconductores muy delgados, cables y alambres de alta tecnología Posiblemente cuando se logre entender este fenómeno, se puedan diseñar y construir dispositivos y aparatos con tecnología basada en estos materiales superconductores. Habrá que esperar ese momento para poder ver la explotación comercial de esta tecnología. Levitación magnética debido al efecto Meißner. 20 COMENTARIOS FINALES El descubrimiento de la superconductividad no se dio como una consecuencia de la buena suerte o de la casualidad. Este es un caso típico de descubrimiento científico que se da cuando las condiciones tecnológicas y científicas han llegado a un punto en el cual todo favorece para que ocurra el descubrimiento. La licuefacción del helio permitía ya el estudio del fenómeno de la conducción de corrientes eléctricas en materiales enfriados a esa temperatura. Fue así como se llegó al descubrimiento de la superconductividad. La superconductividad, dicho sea de paso, fue solo uno entre muchos descubrimientos que se realizaron en el campo de las muy bajas temperaturas. Entre estos descubrimientos encontramos el espectacular fenómeno de la superfluidez, el condensado de Bose-Einstein, así como los extraños valores de las capacidades caloríficas de los metales. Siendo la temperatura una variable fundamental que entra en la estructura de la materia a través de una ecuación de estado, se esperaría que muchos nuevos descubrimientos tuvieran lugar en el campo de la criogenia de las muy bajas temperaturas. La investigación sobre la materia condensada tendrá mucho que aportar al conocimiento científico en el terreno de las muy bajas temperaturas. Los jóvenes científicos, experimentales y teóricos tienen una gran oportunidad de aportar mucho a la comprensión de los fenómenos en este campo. En el año de 1924 Kamerlingh Onnes tenía 71 años cuando observó un fenómeno extraordinario del helio a la temperatura de 2.2 K. Midió su calor específico encontrando un valor muy elevado, por lo que creyó que habían cometido algún error en las mediciones. Por temor al ridículo no se atrevió a publicar este resultado. Su prestigio de científico le impedía dar a conocer resultados que nadie creería. Sin embargo sus experimentos estaban correctos y perdió otra vez la oportunidad de ser el primero en dar a conocer al mundo el fenómeno de la superfluidez. Los físicos que han rebasado cierta edad se vuelven ortodoxos y son temerosos de romper los cánones establecidos, más si son científicos de prestigio. Por esta razón, en la historia de la ciencia, las grandes aportaciones han sido hechas por jóvenes. Estos sí son atrevidos y audaces, pues no tienen aún un prestigio que tengan que cuidar. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Centenario de la superconductividad / J. Rubén Morones Ibarra En la actualidad los físicos teóricos realizan una intensa investigación tratando de encontrar, en la complejidad de la estructura de la materia, una explicación al fenómeno de la superconductividad de alta temperatura crítica. Esta línea de investigación se inscribe entre los grandes desafíos de la física contemporánea. REFERENCIAS 1. Stephen Blundell, Superconductivity, a very Short Introduction, Oxford University Press, 2009. 2. James F. Annett, Superconductivity, Superfluids and Condensates, Oxford University Press, 2003. 3. K. Mendelssohm, La búsqueda del cero absoluto, Ediciones Guadarrama, 1965. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 4. David Halliday, Robert Resnick and Kenneth S. Krane, Physics, Four Edition, John Wiley and Sons, 1992. 5. K r i s t i a n F o s h e i m a n d A s l e S u d b o , Superconductivity, Physics and Applications, John Wiley and Sons, 2004. 6. M i c h a e l , T i n k h a m , I n t r o d u c t i o n t o superconductivity, Second Edition, Dover Publications, 2004. 7. Sven Ortoli y Jean Klein, Historia y Leyendas de la Superconductividad, Gedisa, 1990. 8. Shigeji Fujita, Kei Ito, Salvador Godoy, Quantum Theory of Conducting Matter, Springer Science, 2009. 9. Gianfranco Vidali, Superconductivity: The next revolution?, Cambridge University Press, 1993. 21 �Expectativas y capital académico de estudiantes de nuevo ingreso a Ingeniería en Mexicali, México: Discusión desde la perspectiva de género María Magdalena Duarte Godoy, Juan José Sevilla García, Susana Gutiérrez Portillo, Jesús Francisco Galaz Fontes Facultad de Pedagogía e Innovación Educativa de la Universidad Autónoma de Baja California, Mexicali magdalenaduarte@gmail.com RESUMEN Con el propósito de identificar diferencias en el desempeño académico entre hombres y mujeres, se aplicó una encuesta a estudiantes de ingeniería de cuatro instituciones de educación superior en el Municipio de Mexicali, México. Las variables evaluadas fueron trayectoria escolar previa, expectativas y capital académico. Los resultados muestran que existen diferencias estadísticamente significativas entre hombres y mujeres en las variables de promedio general de bachillerato, expectativas y algunos aspectos relacionados con su capital académico, a favor de las mujeres. Sin embargo, ellas no esperan obtener un mejor resultado académico durante su carrera cuando se comparan con sus compañeros varones. Los resultados se discuten desde una perspectiva de género. PALABRAS CLAVES Estudiantes, ingeniería, género, mujeres. ABSTRACT In order to identify differences in academic performance among men and women, a survey was administered to engineering students in four higher education institutions in Mexicali, Mexico. The results obtained show that there is a significant statistical difference between males and females in some of the variables studied, including prior education, scholastic expectations and some aspects related to their academic capital. Even though women reported using more frequently learning strategies and having had a higher academic achievement, they do not expect to outperform their male counterparts. These data is analyzed from a gender perspective. KEYWORDS Students, engineering, gender, women. INTRODUCCIÓN La noción de la ingeniería como un campo tradicionalmente masculino ha sido ampliamente abordada por los estudios sobre género en relación con esta disciplina. Esta referencia se relaciona principalmente con el desarrollo histórico del campo. Algunos autores sugieren que detrás de esta concepción se encuentra 22 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Expectativas y capital académico de estudiantes de nuevo ingreso a Ingeniería en ... / María Magdalena Duarte Godoy, et al. la institución de los roles de género; la representación social de lo que debe ser una mujer o un hombre y las relaciones binarias entre naturaleza y cultura.1 Los estudios feministas permiten una mirada amplia sobre estos debates. En México, se ha escrito sobre la institución del rol de la mujer que la coloca en el ámbito familiar, alejada de la esfera pública y en contraste con el rol del hombre que tiene derecho a trabajar y desarrollarse profesionalmente.2 Otro debate importante cuestiona la capacidad física e intelectual de las mujeres, viendo como natural su pertenencia a las tareas domésticas, al matrimonio y a la maternidad bajo un argumento de inferioridad intelectual.3 Estos discursos por mucho tiempo representaron un obstáculo para que las mujeres accedieran al campo universitario. Estas ideas, que dieron origen a una identidad simbólica de las mujeres fueron construidas desde una mirada masculina que envuelve la cultura y sus instituciones.4 Los efectos de este discurso siguen causando estragos en algunos campos, como es el caso de la ingeniería. En México, desde sus inicios la práctica de la ingeniería estuvo bajo el dominio de los hombres, y son ellos quienes aparecen como fundadores de este campo en el país. Y siendo el ethos de la ingeniería, como lo menciona García,5 la fuerza física e independencia del hogar familiar, las mujeres tienen un ingreso tardío a este campo comparadas con el de los hombres. Aunado a lo anterior, la todavía organización patriarcal de la sociedad ha hecho muy difícil la conciliación entre la vida familiar y profesional de las mujeres con respecto a sus compañeros varones.6 En este sentido, y a pesar de que en las últimas décadas la matrícula femenina en las instituciones de educación superior mexicanas (IES) ha aumentado notablemente, este aumento de mujeres asistiendo a una IES no se ha dado en la misma proporción en todas las áreas del conocimiento,7 como es el caso del área de ingeniería y tecnología, en donde la matrícula sigue siendo predominantemente masculina.8 Los datos anteriores plantean un panorama muy complicado para las mujeres que deciden tomar la ingeniería por carrera profesional. Sin embargo, la necesidad de reinterpretar las condiciones en las que se dan las relaciones de género en este espacio son apremiantes, pues el discurso predominante hace ver Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 a la ingeniería como un campo casi impenetrable para ellas, cuando en realidad algunas mujeres se insertan con éxito en este escenario, y son precisamente estos casos de éxito los que nos hacen pensar que hay mucho más que explorar en relación con el tema. En el Municipio de Mexicali en particular, del total de la matrícula inscrita en alguna de las carreras de ingeniería, el 25% aproximadamente son mujeres. Ante esta situación y considerando el interés de organismos nacionales e internacionales de promover la presencia de la mujer en la ciencia y tecnología, vale la pena preguntarse cuál o cuáles pudieran ser las razones por la que aún pocas mujeres acceden a una carrera del área de ingeniería. El propósito del presente trabajo fue discutir desde una perspectiva de género, las posibles diferencias entre hombres y mujeres estudiantes de ingeniería con respecto a trayectoria escolar previa: promedio general de calificaciones en bachillerato y promedio obtenido en las asignaturas de matemáticas durante el bachillerato; expectativas: actividades escolares que los estudiantes piensan realizar durante su formación y; capital académico: recursos intelectuales, emocionales, sociales y materiales que un estudiante posee que le posibilitan adquirir nuevos conocimientos. Se espera, de esta manera, aportar información que contribuya a la comprensión de cómo se dan las relaciones de género entre hombres y mujeres durante su etapa de formación profesional en esta área del conocimiento. En el siguiente apartado se describe la metodología usada para la realización del desarrollo del presente estudio. MÉTODO Para alcanzar los objetivos de este estudio, se aplicó un cuestionario a los estudiantes de nuevo ingreso a los programas educativos del área de ingeniería y tecnología en el Municipio de Mexicali de la Universidad Autónoma de Baja California (UABC), el Instituto Tecnológico de Mexicali (ITM), el Centro de Enseñanza Técnica y Superior (CETYSUniversidad), y la Universidad Politécnica de Baja California (UPBC). Estas instituciones, en conjunto, atienden al 98% de la matrícula de ingeniería y además, representan a cuatro subsistemas del sistema de educación superior mexicano. 23 �Expectativas y capital académico de estudiantes de nuevo ingreso a Ingeniería en ... / María Magdalena Duarte Godoy, et al. Sujetos El estudio intentó realizar un censo de los estudiantes que ingresaron por primera vez a una de las carreras de ingeniería durante el ciclo escolar 2009-2 de las instituciones educativas bajo estudio. Como cada institución tiene procesos de ingreso diferentes, se aplicó el cuestionario durante el periodo en el que todas las instituciones participantes tienen ingreso (ciclo escolar 2009-2). Como algunas de las variables identificadas en la cohorte 2009-2 pueden no encontrarse en otras cohortes, es recomendable replicar el estudio en cohortes diferentes. El porcentaje de estudiantes encuestados a nivel institucional varió entre 40.1 y 58.6%, y el porcentaje total de cuestionarios aplicados fue de 52.4% (ver tabla I). Tabla I. Porcentaje de alumnos encuestados por institución y total: Cohorte 2009-2. Institución Universidad Autónoma de Baja California Instituto Tecnológico de Mexicali Universidad Politécnica de Baja California Centro de Enseñanza Técnica y Superior, Universidad Total % de Estudiantes Estudiantes estudiantes inscritos encuestados encuestados 490 287 58.6 650 352 54.2 227 91 40.1 150 74 49.3 1517 795 52.4 Instrumento Para este estudio se diseñó un cuestionario con preguntas cerradas de diferente formato (tipo Likert, opción múltiple y de jerarquización). El cuestionario estuvo conformado por tres apartados: características sociodemográficas, expectativas de formación y desarrollo profesional y capital académico. Para el diseño del cuestionario se revisaron los instrumentos utilizados en los siguientes estudios similares al presente. Cuestionario para Estudiantes Universitarios;9 Cuestionario diseñado por Adrián de Garay; 10 III Encuesta Anual de Ambiente 24 Organizacional;11 Your First College Year;12 Beginning College Survey of Student Engagement;13 National Survey of Student Engagement, 14 y Motivated Strategies for Learning Questionnaire (MSLQ).15 Asimismo, se entrevistó al personal de la Coordinación de Orientación Educativa y Psicológica de la Facultad de Ingeniería de la UABC, sobre el comportamiento de los estudiantes de nuevo ingreso, sus preocupaciones, sus metas, la forma de convivir con sus compañeros, y a qué atribuían el alto porcentaje de abandono que se presenta en el primer año de la carrera. La información obtenida permitió incluir algunas preguntas en el cuestionario que no estaban consideradas originalmente. El instrumento finalmente quedó constituido por tres secciones: I) Datos Generales, Salud y Desempeño Previo con un total de 24 preguntas; II) Expectativas de Formación y Desarrollo Profesional con un total de 5 preguntas cada una y, por último, III) Capital Académico con un total de 81 preguntas. El concepto de capital académico incorporado en el cuestionario aplicado se basó fundamentalmente en los reactivos presentes en el instrumento desarrollado por Pintrich, et al. (MSQL). Esta última sección consistió en una serie de afirmaciones que los estudiantes tenían que contestar utilizando una escala Liker en un rango de 5 puntos, en donde los valores bajos indicaban poco nivel de acuerdo y los puntajes más altos un buen nivel de acuerdo. El cuestionario diseñado se piloteó con estudiantes de la UABC durante el curso de inducción que se imparte una semana antes del inicio de clases (día 5 de agosto de 2009). Ocho estudiantes (cinco hombres y tres mujeres) contestaron la primera versión del cuestionario. En particular, los jóvenes hicieron observaciones con respecto a algunos términos que no les eran familiares. El tiempo aproximado que les llevó contestarlo fue de 20 minutos. Por otro lado, se consultó a expertos en diseño de instrumentos para conocer su opinión (validez de experto). Durante el piloteo del instrumento también se validó el proceso de captura automática de los datos a través del programa Remark Office, lo que permitió el diseño del formato final del cuestionario. La captura de datos se realizó en un scanner de alta velocidad DR-3080CII que, junto con el programa mencionado, Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Expectativas y capital académico de estudiantes de nuevo ingreso a Ingeniería en ... / María Magdalena Duarte Godoy, et al. permitió generar archivos SPSS en forma directa. Paralelamente a la captura de los datos, se grabó y digitalizó cada uno de los cuestionarios capturados en un archivo creado para tal fin. Procedimiento Para el desarrollo de este estudio se tuvo una entrevista con los responsables del área de ingeniería de las instituciones participantes con el propósito de darles a conocer el proyecto y, posteriormente, solicitar por escrito la autorización para la aplicación de la encuesta. Se solicitaron además, los horarios de la materia de Matemáticas I, total de alumnos por grupo, nombre de profesores de Matemáticas I y ubicación del aula de clases. Se tomó como materia eje la asignatura de Matemáticas I (Cálculo Diferencial o Álgebra Lineal dependiendo de la institución) por ser una materia obligatoria para todos los estudiantes de nuevo ingreso. Se esperaba, con ello, que al momento de la aplicación del cuestionario se encontrara el mayor número posible de estudiantes en el salón de clases. Una semana antes de la aplicación de la encuesta, se visitó a los profesores responsables de los grupos de nuevo ingreso para solicitarles tiempo de su clase para aplicar el cuestionario. Durante esa visita se mostró a los profesores la autorización por escrito, o se mencionó de manera verbal lo acordado con la dirección de la institución. Los profesores señalaron el día y la hora en la que podría pasar a aplicar la encuesta. Por lo general, se aplicó 30 minutos antes de finalizar la clase. Al inicio de la aplicación se les comentó a los estudiantes la relevancia que para ellos podían tener los resultados del estudio, se les pidió que fueran honestos y a lo largo de la aplicación se contestaron las dudas que expresaron respecto al cuestionario en su conjunto. Varios profesores se mostraron muy interesados en conocer los resultados de la investigación, y se ofrecieron a apoyar en la medida de sus posibilidades la realización del estudio. El cuestionario fue aplicado, en formato de papel y lápiz, en forma grupal a partir de la segunda semana de octubre de 2009. Durante la aplicación se contó con el apoyo de un encuestador. En varios casos los propios profesores aplicaron el cuestionario bajo la supervisión del coordinador de área, quien recogió los cuestionarios para luego entregarlos al equipo de trabajo. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En función del propósito central de este trabajo, y luego de una descripción general de la muestra encuestada, los resultados se presentan organizados en tres partes: promedio general y el promedio en matemáticas obtenidos en el bachillerato; expectativas sobre aspectos relacionados con su formación y, por último, con lo que llamamos capital académico (estrategias de aprendizaje, motivación y manejo de recursos personales). En todos los casos el sexo sirvió como la variable comparativa fundamental de los resultados encontrados. Los estudiantes encuestados fueron a nivel global, mayoritariamente hombres (77.0%) (ver tabla II). Este dato es similar a los reportados en otros estudios realizados en esta área del conocimiento, en los que se reporta que la matrícula en el área de ciencia y tecnología es 75% masculina y 25% femenina.16 Con respecto al promedio general de calificaciones y al promedio de calificaciones en matemáticas que obtuvieron los estudiantes en bachillerato, la tabla III muestra que, después de aplicar una prueba Chi-cuadrada, existe una diferencia significativa entre hombres y mujeres con respecto al promedio Tabla II. Distribución por sexo de los estudiantes encuestados. Sexo Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 n % Hombres 611 77 Mujeres 183 23 Total 794 100 25 �Expectativas y capital académico de estudiantes de nuevo ingreso a Ingeniería en ... / María Magdalena Duarte Godoy, et al. Tabla III. Promedio general de calificaciones en bachillerato, y promedio de calificaciones en matemáticas para estudiantes hombres y mujeres encuestados (porcentajes). Promedio en bachillerato n 6.0-6.9 7.0 – 7.9 8.0 – 8.9 9.0 – 10.0 Total Hombres 611 1.5 27.4 43.8 27.3 100 Mujeres 183 0.0 18.0 36.1 45.9 100 Total 794 1.1 25.3 42.0 31.6 100 Sexo* Promedio en matemáticas Sexo n 6.0 – 6.9 7.0 – 7.9 8.0 – 8.9 9.0 – 10.0 Total Hombres 611 2.8 19.9 40.8 36.5 100 Mujeres 183 1.1 17.7 35.4 45.9 100 Total 794 2.4 19.4 39.5 38.7 100 *Chi-Cuadrada3=25.136, p=.0001 general reportado, pero no así respecto al promedio de calificaciones en matemáticas, en donde ambos sexos obtienen resultados muy similares. Este último resultado muestra que, a pesar de la posible socialización diferenciada que mencionan algunos autores en matemáticas a favor de los hombres,17 los resultados obtenidos en este estudio indican que tanto hombres como mujeres reportaron resultados parecidos, lo que nos permite sugerir dos cosas; por un lado que la socialización hacia las matemáticas está siendo más equitativa entre los sexos, o bien, que las estudiantes mujeres interesadas en el área de ingeniería logran superar de alguna manera el prejuicio social que se tiene con respecto a sus habilidades con los números. Sin embargo, con respecto al promedio general de conocimientos en bachillerato, los resultados de este estudio refuerzan lo encontrado en estudios anteriores, en los que se reporta que las mujeres en bachillerato tienen una mejor trayectoria escolar -en general- que sus compañeros hombres.18 Los resultados anteriores concuerdan con lo reportado en otros estudios, en donde se ha encontrado que las mujeres obtienen mejores calificaciones que los hombres y desertan menos que éstos de la educación superior.19 Dado estos resultados se ha planteado que son otros los mecanismos que hacen que las mujeres, en comparación con los hombres, opten en menor medida por una carrera en el área de ingeniería y tecnología. 26 De igual manera, también se encontraron diferencias asociadas al sexo en las actividades que los y las estudiantes piensan realizar durante su primer semestre en ingeniería (ver tabla IV). Específicamente, las mujeres reportan estar más dispuestas que sus compañeros varones, a estudiar con compañeros, y a leer textos escolares y no escolares. Ello nos permite inferir que serán ellas las que estarán más involucradas en las tareas propias de su formación y que, por lo tanto, las mujeres podrían tener una trayectoria académica que les permita concluir sus estudios de ingeniería, superando en eficiencia terminal a los estudiantes hombres.20 Para analizar los resultados relativos al concepto de capital académico se realizó un análisis factorial exploratorio sobre los 81 reactivos de la sección correspondiente del cuestionario. Con base a este análisis, y luego de eliminar cinco reactivos por Tabla IV. Expectativas relacionadas a actividades escolares a desarrollar, para hombres y mujeres encuestados (porcentajes). ¿Durante este semestre con qué frecuencia piensas estudiar con compañeros? Sexo Rara Algunas Frecuentemente Total vez veces n Nunca Hombres 611 5.4 20.4 40.8 33.3 100 Mujeres 183 0.0 12.2 34.1 53.7 100 Total 37.8 100 794 4.3 18.6 39.4 Chi-Cuadrada3=15.544, p=.001 ¿Durante este semestre con qué frecuencia piensas leer textos no-escolares? Sexo n Nunca Rara Algunas Frecuentemente Total vez veces Hombres 611 22.6 34.9 32.2 10.3 100 Mujeres 183 2.4 29.3 39.0 29.3 100 Total 14.4 100 794 18.2 33.7 33.7 Chi-Cuadrada3=22.589, p=.0001 ¿Durante este semestre con qué frecuencia piensas leer textos escolares? Sexo n Nunca Rara Algunas Frecuentemente Total vez veces Hombres 611 18.4 34.0 30.6 17.0 100 Mujeres 183 2.4 29.3 36.6 31.7 100 Total 20.2 100 794 14.9 33.0 31.9 Chi-Cuadrada3=10.788, p=.013. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Expectativas y capital académico de estudiantes de nuevo ingreso a Ingeniería en ... / María Magdalena Duarte Godoy, et al. ser inconsistentes con el resto, se identificaron 14 factores, los cuales fueron a su vez sometidos a otro análisis factorial para verificar la pertinencia de manejar un solo factor para cada grupo de reactivos, así como para evaluar su consistencia interna (confiabilidad). Los factores resultantes fueron agrupados en tres categorías de análisis: estrategias de aprendizaje, motivación y uso de recursos personales. La tabla V muestra que los porcentajes de varianza explicada dentro de cada grupo específico de reactivos por un factor único (en promedio 51.82%), así como las confiabilidades respectivas (en promedio 0.75) son de una magnitud aceptable para este tipo de estudios.21 Utilizando la prueba t de Student para identificar diferencias estadísticamente significativas entre ambos sexos en los factores que conforman dichas categorías, se encontró lo siguiente. Respecto a la categoría de estrategias de aprendizaje, se observa que existe una diferencia entre hombres y mujeres a favor de éstas, en tres de los factores que conforman esta categoría: repaso, aprendizaje en grupo y relacionar conocimientos (ver tabla VI). Estos resultados refuerzan los previamente encontrados Tabla VI. Niveles reportados (medias) en la categoría y escalas de estrategias de aprendizaje, global y por sexo (N=794). n Hombres Mujeres Total Estrategias de aprendizaje1 782 3.84 4.02 3.88 Repaso2 778 4.08 4.34 4.14 Aprendizaje en grupo3 782 3.97 4.17 4.02 Resumen y organización 780 3.35 3.49 3.38 Relacionar conocimientos4 761 3.95 4.10 3.99 t782= -.187, p=.001; 2t778= -.267, p=.000; 3t782= -.200, p= .002; 4t769= -.143, p=.030 1 respecto a que serán las mujeres quienes, utilizando una variedad de estrategias y recursos para el estudio, puedan tener una mayor permanencia en la carrera comparada con la de sus compañeros hombres. Con respecto a los niveles reportados en la categoría motivación se observa que en el conjunto de esta categoría existe una diferencia significativa entre hombres y mujeres a favor de éstas (ver tabla VII). De la misma manera, cuando se desglosa en Tabla V. Características psicométricas de las categorías y subcategorías construidas con base en reactivos individuales de la encuesta aplicada. Categoría y subcategoría Número de reactivos Número de casos válidos % de la varianza de los reactivos explicada por el factor único Confiabilidad Alpha de Cronbach Estrategias de aprendizaje Repaso 4 778 55.081 0.717 Aprendizaje en grupo 4 782 52.266 0.678 Resumen y organización 7 780 53.965 0.830 Relacionar conocimientos 7 761 50.974 0.837 Iniciativa 4 789 51.229 0.681 Interés por aprender 9 792 50.154 0.871 Persistencia 5 781 50.029 0.769 Expectativas negativas 5 791 52.210 0.771 Motivación Involucramiento bajo 6 782 49.535 0.794 Necesidad de reconocimiento 4 791 51.239 0.653 Manejo de recursos personales Flexibilidad 5 780 54.065 0.786 Confianza en desempeño 9 793 51.213 0.880 Responsabilidad 3 790 52.030 0.539 Recursos materiales 4 784 51.452 0.683 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 27 �Expectativas y capital académico de estudiantes de nuevo ingreso a Ingeniería en ... / María Magdalena Duarte Godoy, et al. Tabla VII. Niveles reportados (medias) en la categoría y escalas de motivación, global y por sexo (N=794). n Motivación Hombres Mujeres Total 792 3.77 3.87 3.79 Iniciativa 789 3.67 3.75 3.69 Interés por aprender2 792 4.32 4.46 4.35 Persistencia3 781 4.12 4.29 4.16 Expectativas negativas4 791 3.11 3.31 3.16 Involucramiento bajo 782 3.24 3.16 3.22 Necesidad de reconocimiento5 791 1 n Manejo de recursos personales Flexibilidad Confianza en desempeño Responsabilidad Recursos materiales1 1 4.13 4.28 4.17 t790= -.100, p=.026;2 t790= -134, p=.011; 3t779= -.163, p=.006; 4t789= -.204, p=.013; 5t789= -.143, p=.022. 1 factores, observamos que existe una diferencia significativa en cuatro de los factores de esta categoría. Por un lado en interés en aprender, factor indispensable para tener éxito en cualquier área del conocimiento; en persistencia, lo que sugiere que las mujeres, a pesar de que no puedan comprender algunos conceptos, buscan la manera de solucionar la situación para el logro de su meta. Sin embargo, y a pesar de contar con características adecuadas de motivación, las mujeres reportan comparadas con los hombres, expectativas negativas sobre su desempeño, resultado que es consistente con estudios realizados anteriormente,22 lo que sugiere que las mujeres que deciden estudiar ingeniería están conscientes de los posibles obstáculos o barreras a las cuales se pueden enfrentar. Finalmente, es interesante observar que las mujeres reportan tener una mayor necesidad que los hombres de que se les reconozca su esfuerzo por lograr su objetivo, que en este caso es obtener buenas calificaciones. Este resultado nos indica que una estrategia de sobrevivencia que tienen las estudiantes mujeres, en este campo de estudio, es ser reconocidas académicamente tanto por sus compañeros como por sus profesores.23 Los resultados obtenidos en la categoría manejos de recursos personales, muestran que no existen diferencias significativas entre hombres y mujeres a nivel de la categoría en su conjunto, pero sí la hay, favorable para las mujeres, para la escala de recursos materiales (ver tabla VIII). Lo anterior sugiere que son ellas las que utilizan de una mejor 28 Tabla VIII. Niveles reportados (medias) en la categoría y subescalas de manejo de recursos personales, global y por sexo (N=794). Hombres Mujeres Total 793 3.90 4.00 3.93 780 3.66 3.79 3.69 793 4.09 4.06 4.08 790 4.12 4.22 4.14 784 3.76 3.92 3.80 t782= -.156, p=.026. manera los recursos materiales con los que cuentan para realizar sus estudiar. Es interesante observar, sabiendo que las mujeres reportan mejores niveles en trayectoria escolar previa, persistencia, estrategias de aprendizaje, interés en aprender, capacidad de relacionar conocimientos y aprender en grupo, que no reporten tener mayor confianza que sus compañeros hombres respecto a su desempeño escolar futuro. Esto lleva a cuestionarnos si las mujeres son conscientes de sus propias capacidades para ser exitosas o más exitosas que sus compañeros hombres, en un campo que ha sido a lo largo de la historia “dominado” por ellos. CONCLUSIONES El presente estudio tuvo como propósito describir y comparar la trayectoria escolar previa, expectativas de formación y capital académico entre hombres y mujeres estudiantes de ingeniería de cuatro instituciones de educación superior del Municipio de Mexicali, cohorte 2009-2. Esto lo encontramos relevante ya que históricamente se han difundido muchos mitos que reproducen la idea de que las mujeres y la ingeniería son conceptos casi antagónicos. A continuación se mencionan algunas conclusiones generadas a partir de este trabajo que pueden ayudar a entender el por qué de las diferencias y, por otro lado, nos revelan la existencia de algunas creencias con respecto a las mujeres estudiantes en esta área del conocimiento que no son del todo ciertas. 1. A pesar de que la matrícula femenina en las áreas de ingeniería y tecnología ha aumentado en las últimas décadas, en el Municipio de Mexicali Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Expectativas y capital académico de estudiantes de nuevo ingreso a Ingeniería en ... / María Magdalena Duarte Godoy, et al. sigue siendo predominantemente masculina (hombres 77%, mujeres 23%). 2. Las estudiantes mujeres reportan utilizar una mayor variedad de estrategias de aprendizaje cuando se comparan con sus compañeros hombres. De igual manera están más motivadas para adquirir nuevos conocimientos y son más persistentes que los hombres, lo que refuerza lo encontrado en otros estudios con estudiantes de ingeniería, 24 en donde se reporta que las mujeres que eligen estudiar ingeniería tienen la intención de seleccionar una carrera con mayor prestigio, sobre todo en relación con el trabajo “tradicional” de las mujeres, lo que significa un reto para ellas. Es decir, la consciencia de que se estudia algo que ha sido entendido como “no apto” para las mujeres, las pondría en una situación donde la persistencia y el esfuerzo serían las herramientas para romper esta idea. 3. A pesar de que las estudiantes mujeres han mostrado a lo largo de su trayectoria escolar un mejor desempeño en general, reportan usar una mayor variedad de estrategias de aprendizaje, están más motivadas y con un mayor interés por aprender cuando se comparan con los hombres, no reportan tener una mayor confianza en su desempeño futuro que el reportado por sus compañeros varones. Lo anterior sugiere como lo señalan algunas propuestas provenientes de estudios sobre mujeres en ingeniería y desarrollados desde la perspectiva de género,25 que el discurso que opera “sobre la mujer” en este campo “masculino”, actúa como un regulador de las prácticas femeninas, es decir, lo que las estudiantes son capaces de hacer en este espacio se ve “mediado” o “afectado” por este discurso. 4. Los resultados de este estudio muestran que las mujeres, utilizan de una mejor manera los recursos materiales con los que cuentan para realizar sus estudios, cuando se comparan con sus compañeros hombres. Esto puede deberse al proceso de socialización que han recibido las mujeres con respecto a que son, o serán ellas, las responsables de “administrar” los recursos de una familia. 5. Los resultados encontrados nos permiten reforzar la propuesta de Sax26 de que existen mecanismos de discriminación y exclusión hacia las mujeres Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 que se presentan de forma explícita e implícita, ante los cuales, las estudiantes, van construyendo sus formas de percepción del campo y de ellas mismas, lo que nos ayudaría a entender por qué las estudiantes, pese a tener todas las herramientas para ser sobresalientes en ingeniería, no reportan tener una mejor confianza en su propio desempeño comparado con el reportado por sus compañeros. De ahí la importancia de desarrollar en ellas la creencia de su competencia en esta área del conocimiento.27 6. Finalmente, identificamos la necesidad de contar con un mayor número de estudios sobre las mujeres estudiantes de ingeniería (cohorte, institución, región, etc.) que nos permitan estar en condiciones de proponer programas y acciones dirigidas a ellas para lograr que su formación profesional no sea una fuente de tensión para ellas. REFERENCIAS 1. González, M., Pérez, E.,Ciencia tecnología y género, Revista Iberoamericana de Ciencia, Tecnología, Sociedad e Innovación, no. 2, eneroabril, 2009. 2. López M., Las mujeres en el umbral del siglo XX, En Lamas, M. (coord.) Miradas Feministas sobre las mexicanas del siglo XX. México, FCE, 2007. 3. Mingo, A., ¿Quién mordió la manzana? Sexo, origen social y desempeño en la Universidad. México, FCE, 2006. 4. Lagarde, M., Los cautiverios de las mujeres: madres, esposas, monjas, putas y locas. México: UNAM, 1990. 5. García Guevara, P. Masculinidad y feminización en las profesiones tradicionalmente masculinas: el caso de la ingeniería. 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Journal of Engineering Education, Vol. 99, no 4, Oct, 2010. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Grafos en el desarrollo vascular arterial renal Aurora Espinoza-ValdezA, Ricardo FematB, Francisco C. Ordaz-SalazarC CIIDIT, FIME-UANL Laboratorio para Biodinámica y Sistemas Alineales, División de Matemáticas Aplicadas, IPICYT. San Luis Potosí, S. L. P., México. C Universidad Politécnica de San Luis Potosí, S. L. P., México. aurora.espinozavl@uanl.edu.mx A B RESUMEN El crecimiento del árbol vascular del riñón es un fenómeno que se puede explicar matemáticamente. Los grafos son una herramienta matemática útil para modelar este crecimiento, generarando estructuras arborescentes que incorporan las leyes fisiológicas de la ramificación arterial para modelar la vascularización renal. El desarrollo vascular del riñón ocurre por medio de dos mecanismos que a veces se superponen: angiogénesis y vasculogénesis. Aquí sólo se reporta el crecimiento mediante angiogénesis, i.e., el árbol vascular arterial del riñón. Existen dos tipos de angiogénesis en el desarrollo vascular renal: angiogénesis por brote y por partición. En este trabajo se estudia el desarrollo vascular renal mediante los dos procesos. PALABRAS CLAVE Grafos, árbol vascular arterial del riñón, angiogénesis. ABSTRACT The growth of the kidney vasculature is a phenomenon that can be explained mathematically. Graphs are a mathematical tool that are useful for modeling this growth. Tree structures are generated by incorporating the physiological laws of arterial branching, for model of the renal vessels. The development of the renal vasculature occurs through two mechanisms that sometimes overlap: angiogenesis and vasculogenesis. Here we report the growth only through angiogenesis, i.e., the arterial vascular tree of the kidney. There are two types of angiogenesis in the development of the arterial vascular tree of the kidney: sprout angiogenesis and sproutting angiogenesis. In this paper we study the renal vascular development through both processes. KEYWORDS Graph, vascular arterial tree of the kidney, angiogenesis. INTRODUCCIÓN Existen muchos sistemas naturales cotidianos cuya conducta y estructura compleja ha desafiado hasta ahora incluso el análisis matemático cualitativo. En algunos casos esta conducta puede simularse numéricamente con sólo unas variables; pero en la mayoría de los casos la simulación comprende demasiados factores y hace falta un mayor acercamiento al problema. Para descubrir y analizar Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 31 �Grafos en el desarrolo vascular arterial renal / Aurora Espinoza Valdez, et al. la base matemática de la complejidad, se deben comprender sistemas matemáticos que capturen el ser del proceso. La diabetes mellitus es una enfermedad metabólica crónica que aparece cuando el páncreas no produce insulina suficiente o cuando el organismo no utiliza eficazmente la que produce. El efecto de la diabetes no controlada es la hiperglucemia, que con el tiempo daña gravemente muchos órganos y sistemas, especialmente los vasos sanguíneos; ello a su vez puede originar múltiples complicaciones microvasculares en los ojos, el riñón y las extremidades inferiores, así como neuropatías periféricas y, frecuentemente, lesiones macrovasculares. Los vasos sanguíneos llevan la sangre a todas partes del cuerpo, la cual realiza un intercambio “descarga” el oxígeno y los nutrientes y “carga” productos de desecho (toxinas y dióxido de carbono). La formación del árbol vascular está programada genéticamente y controlada por determinantes celulares locales. Los primeros estudios del desarrollo vascular consistieron en observaciones morfológicas meticulosas en distintas etapas de la vida embrionaria. Es fundamental comprender los mecanismos involucrados a nivel celular y molecular usando técnicas de matemáticas e ingeniería, para el control de enfermedades y promover el desarrollo de dispositivos y órganos artificiales. Arteria (sangre y materiales de desecho entran al riñón) Vena (sangre limpia sale del riñón) Uréter (los materiales de desecho y líquidos salen por la orina) Fig. 1. Riñón, imagen modificada a partir de http://www. hepatitisc200.com.ar. 32 Fig. 2. Riñón: Árbol vascular arterial (rojo), árbol vascular venoso (blanco) y úreter (amarillo) (http://bioeng. auckland.ac.nz). Los riñones son órganos sumamente vascularizados (ver figura 1), además de que constituyen el principal medio de que dispone el organismo para purificar y mantener el equilibrio químico en la sangre. Estos son un sistema complejo que incluye mecanismos de: filtración, absorción y excreción. El árbol vascular del riñón (ver figura 2) tiene la siguiente estructura: La arteria renal se ramifica dando lugar a las arterias interlobulares, arterias arciformes, arterias interlobulillares y a las arteriolas aferentes, que acaban en los capilares glomerulares. Estos capilares confluyen para formar las arteriolas eferentes, que da origen a una segunda red capilar, los capilares peritubulares, que irrigan la nefrona.1 Los vasos del sistema venoso discurren paralelos a los arteriales y forman venas interlobulillares, arciformes, interlobulares y la vena renal.1 El patrón de distribución de los vasos sanguíneos en el riñón es muy preciso, constante, genéticamente determinado y se reproduce en forma casi idéntica en todas las especies; incluyendo a los humanos. Uno de los primeros estudios del árbol vascular de riñón consistió en una meticulosa observación morfológica. Hace decenios se observó y midió Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Grafos en el desarrolo vascular arterial renal / Aurora Espinoza Valdez, et al. experimentalmente los ángulos y los diámetros de ramificación de la red renal de una rata.2 Más recientemente Zamir, utilizó los sistemas-L para generar estructuras arborescentes de ramificación.3 Sus resultados sugieren que los sistemas-L se pueden utilizar para producir estructuras arborescentes fractales pero no para la ramificación observada en los árboles vasculares. Posteriormente, otros autores analizaron las redes microvasculares previamente publicadas y compararon las gráficas.4 La teoría de grafos fue utilizada para analizar la topología de la red vascular. Se demostró que la mayoría de los vértices en la vasculatura renal son bifurcaciones. En uno de los estudios más recientes se generó numéricamente el árbol vascular arterial y venoso del riñón, esto utilizando Tomografía Computarizada (micro-CT, por sus siglas en inglés), y obteniendo la siguiente estructura en el árbol: aferentes, orden 0-1; interlobulillares, orden 2-6; arciformes, orden 6-7; interlobulares, orden 8-9 y arteria renal, orden 9-10.5 De esta manera, ha habido aproximaciones a la morfología de árboles vasculares renales usando teoría de grafos. En nuestra opinión los grafos prescriben la topología del árbol vascular y pueden incluir las reglas de los fenómenos de la vascularización. DESARROLLO VASCULAR La sangre es un tejido fluido que circula por tres tipos de vasos sanguíneos: arterias, venas y capilares. El desarrollo vascular ocurre por medio de dos mecanismos que a veces se superponen: vasculogénesis y angiogénesis. Vasculogénesis es el proceso de formación de los vasos sanguíneos a partir de células endoteliales progenitoras (angioblastos), las cuales migran y se fusionan con otras células endoteliales progenitoras y se diferencian en células endoteliales mientras forman nuevos vasos.6 Angiogénesis es la formación de nuevos vasos sanguíneos a partir de vasos preexistentes, por proliferación y migración de células endoteliales.6 En la figura 3 se puede observar: (1) La vasculogénesis, la cual es la formación de vasos sanguíneos in situ. (2) La angiogénesis que consta de distintas etapas que tienen lugar a partir de vasos surgidos mediante vasculogénesis. (3) Ambos procesos angiogénesis y vasculogénesis pueden suceder en forma simultánea. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 Vasculogénesis Vasculogénesis y Angiogénesis Angiogénesis Árbol Vascular Fig. 3. Vasculogénesis, angiogénesis y ambos procesos. Así se puede decir que la angiogénesis es la formación de vasos sanguíneos a partir de vasos preexistentes, mientras que la vasculogénesis es la formación de vasos sanguíneos cuando no hay preexistentes. Ambos procesos, tanto la angiogénesis como la vasculogénesis son posibles en el desarrollo de la vasculatura renal, dependiendo del potencial de desarrollo de las células implicadas. No es claro, todavía, cuanto contribuye cada uno de estos procesos en el desarrollo de la vasculatura del riñón en condiciones sanas.6 Sin embargo, parece que las arteriolas y los tubos capilares más pequeños son formados por vasculogénesis, mientras que arterias más grandes pueden convertirse por angiogénesis.6 ÁRBOL VASCULAR ARTERIAL DEL RIÑÓN Este trabajo se enfoca en el desarrollo vascular arterial renal mediante angiogénesis. Por lo que el árbol vascular debe tener una profundidad hasta las arterias interlobulillares. La angiogénesis es la formación de nuevos vasos sanguíneos a partir de vasos preexistentes. Existen dos tipos de angiogénesis en el desarrollo vascular: angiogénesis por brote y por partición: a) La angiogénesis por brote, se refiere al proceso en el cual se activan las células endoteliales ramificándose hacia fuera de un vaso existente, para formar una estructura con un brote figura 4. Debe haber una coordinación múltiple para que se lleve a cabo el proceso de angiogénesis por brote. Por ejemplo, inhibiendo la degradación de la matriz extracelular limita la migración de la célula endotelial y por lo tanto la formación del vaso. 33 �Grafos en el desarrolo vascular arterial renal / Aurora Espinoza Valdez, et al. Migración de células endoteliales Formación de lumen Brote Vaso Preexistente Dos vasos Partición Estiramiento y adelgazamiento de células endoteliales Formación de hoyos transcelulares en células endoteliales Fig. 4. Angiogénesis por brote y por partición. b) La angiogénesis por partición, se refiere al proceso por el cual un vaso se parte en dos vasos. Las células endoteliales se extienden con eficacia formando dos vasos a través de los cuales la sangre pueda pasar. La angiogénesis por partición es importante porque es una reorganización de células existentes. Permite un aumento extenso en el número de vasos sanguíneos sin un aumento correspondiente en el número de células endoteliales. En la angiogénesis por partición al realizarse el proceso de remodelación de ramificación; i.e., los diámetros de los dos nuevos vasos dependen del diámetro del vaso que salieron. REPRESENTACIÓN DEL ÁRBOL VASCULAR ARTERIAL RENAL EN UN GRAFO A fin de modelar un grafo para visualizar la topología del árbol vascular arterial del riñón en el cual se pueda incluir la información fisiológica, redefinimos un grafo. La nueva definición sólo modifica la función de incidencia, lo que permite asociar a cada arista uno o a lo más dos vértices e introducir algunos parámetros fisiológicos en el grafo.7 Una ventaja de la redefinición de grafo, es que la vasculatura puede terminar en aristas, ya que los vértices son el lugar donde se presenta el estímulo angiogénico para que se genere la bifurcación arterial. Esto es importante porque permite tener 34 información fisiológica en el grafo sobre los recursos genéticos tal cómo se describen a continuación. Un grafo GR es una tripla ordenada (V (GR ), E (GR ), ψGR ) que consiste de un conjunto no vacío V (GR ) de vértices, de un conjunto E (GR ) de aristas y de una función de incidencia ψ GR : E (GR ) → K oV2(GR ) que para cada arista se cumple alguna de las dos siguientes condiciones: 1. ψ GR asocia la arista e a un subconjunto de V (GR ) de tamaño dos, ψ GR (e) = {u , v}. 2. ψ GR asocia la arista e a un subconjunto de un elemento de V (GR ) , ψ GR (e) = {u}. Un árbol es un grafo conexo y acíclico. De aquí en adelante trabajaremos con el árbol GR, el cual cumple con las siguientes características: • GR representa el árbol vascular arterial del riñón. • Cada arista es un vaso sanguíneo de la vasculatura arterial renal. • GR tiene vértices con todas sus aristas orientadas en tal forma que de cada vértice salen dos aristas y llega una, la orientación simboliza la dirección de la circulación del flujo sanguíneo en las aristas. • Cada arista e es etiquetada con la información fisiológica del vaso psanguíneo, por la función E (GR ) → + ∪ {0} , donde P es el número de parámetros fisiológicos considerados para el desarrollo del árbol vascular arterial renal. ( ) Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Grafos en el desarrolo vascular arterial renal / Aurora Espinoza Valdez, et al. Brote ei(j-1) m1)j Partición vt e ( ab (i) ab emj ab )j e (m-1 ei(j-1) e(j-1) e(m-1)j ab ab emj ap ap j ab vt vt ¬ (ii) ¬ (iii) em ei(j-1) emj ap e(m-1)j ap ei(j-1) )j e (m-1 ei(j-1) ap emj ap ap em ap vt ¬ (II) ¬ (III) vt ap ¬ (I) m1)j ab ab vt e ( • Cada arista e es etiquetada como ei ( j −1) donde i ≥ 0 y j ≥ 1 (i, j ∈ ) . Ahora cada arista es etiquetada como ei ( j −1) ( s, C gf , l , d , θ) donde s es el proceso utilizado en el desarrollo de la bifurcación arterial: angiogénesis por brote o por partición; Cgf es la concentración de VEGF en el vaso sanguíneo; l es la longitud del vaso sanguíneo; d es el diámetro del vaso sanguíneo y θ( m −1) + θm el ángulo de bifurcación arterial, ver figura 5. j ab Fig. 6. Posibles combinaciones en el desarrollo de la bifurcación arterial. Fig. 5. Representación de una bifurcación arterial en GR con aristas etiquetadas y orientadas.8 RESULTADOS El crecimiento de los vasos renales depende de la regulación que ejerce la concentración tisular de oxígeno sobre el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF). Por lo que la variable principal en el árbol vascular arterial del riñón es el VEGF, el cual activa la angiogénesis.6 Los mecanismos de angiogénesis por brote ab y por partición ap son posibles en el desarrollo de la vasculatura renal. • s = ab genera un nuevo vaso sanguíneo en la arista ei ( j −1) , el cual es formado por k (k ∈ ) células endoteliales. Es importante distinguir si el brote ocurre en la arista e(m-1)j o emj, ya que esto afecta la geometría de GR debido a los parámetros fisiológicos utilizados, i.e., afecta la morfología del árbol vascular arterial del riñón. • s = a p genera dos nuevos vasos sanguíneos en la arista ei(j-1). El vaso sanguíneo pre-existente ei(j-1) se bifurca en e(m-1)j y emj. Existen seis posibles combinaciones para angiogénesis por ab y ap en el desarrollo de la vasculatura arterial renal. Para más claridad en la figura denotamos (i,ii,iii) con los casos donde el Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 vaso sanguíneo preexistente es ab y denotamos con I,II,III para cuando el vaso sanguíneo preexistente ap (figura 6). La angiogénesis por brote y por partición tienen pasos en común, pero la más importante diferencia es que en brote existe migración de células endoteliales, mientras que en partición solo existe reordenación de las ya existentes en el vaso sanguíneo preexistente. Por definición los procesos de ab y ap son mutuamente excluyentes, entonces ab ≠ ap. Ahora bien, si el nuevo vaso sanguíneo es formado por brote, (a) el diámetro de una de las aristas e(m-1)j o emj en la bifurcación es igual al diámetro del vaso sanguíneo preexistente ei(j-1) y (b) el proceso de brote tiene efecto geométrico en el árbol GR, i.e., depende de que arista e(m-1)j o emj es brote. Complementariamente, si los dos nuevos vasos e(m-1)j o emj son formados por partición, el vaso sanguíneo preexistente ei(j-1) puede ser brote o partición. Entonces, se tiene que ab genera sólo un nuevo vaso sanguíneo en un vaso sanguíneo pre-existente, mientras que ap genera dos nuevos vasos sanguíneos. Si observamos la estructura de GR (ver figura 5) podemos asociar a cada ramificación un vértice vt y ver que solo dos aristas se encuentran después de cada vértice. Por lo que, desde el punto de vista de la teoría de grafos podemos concluir que la angiogénesis genera dos aristas en el árbol GR. Por 35 �Grafos en el desarrolo vascular arterial renal / Aurora Espinoza Valdez, et al. lo tanto, tenemos bifurcaciones independientemente si el desarrollo ocurre por brote o por partición. Si el árbol vascular arterial del riñón se desarrolla mediante ab y ap, entonces cada segmento de GR tiene 2j vasos sanguíneos. Consecuentemente, todos los vértices en el árbol GR representando el árbol arterial renal cumplen lo siguiente: degG (v )= 3 R ∀v ∈ V (GR ) , i.e., en GR todos los vértices son de orden 3. Esto es por definición de como ocurren los procesos de ab y ap en el desarrollo de GR. Este resultado es relevante ya que coincide con los datos reportados experimentalmente.3 El árbol vascular arterial del riñón tiene profundidad hasta las arterias intelubulillares y de acuerdo a estudios experimentales5 organizamos su estructura de la siguiente forma: arteria renal, segmento 0; arterias interlobulares, segmentos 1-2; arterias arciformes, segmentos 3-4; arterias interlobulillares, segmentos 5-9. Por lo tanto, tenemos que tiene una profundidad de 0 ≤ j ≤ 9 . La longitud para cada segmento j (ver figura 7) denotada por lj en GR, se determina analíticamente de la siguiente forma: l j = l00 ( Pab λ b + Pap λ p ) j donde 0 ≤ j ≤ 9 ; l00 = 5mm es la longitud de la arteria renal; Pab definida en el conjunto {0.1,0.2,0.3,0.4,0.5} y Pap = 1 − Pab ; λ b = 0.5 es el promedio del factor de contracción para ab y λ p = 0.67 es el factor de contracción para ap. Entonces la longitud promedio para cada segmento j es: l0 = 5mm l1 = 3.095mm l2 = 1.919mm l3 = 1.191mm Longitud Promedio mm 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 2 4 Segmento n 6 8 Fig. 7. La longitud promedio en cada uno de los segmentos de GR para cada una de las 5 diferentes probabilidades de ab y ap en el desarrollo del árbol vascular arterial del riñón. 36 l4 = 0.741mm l5 = 0.462mm l6 = 0.287mm l7 = 0.179mm l8 = 0.112mm l9 = 0.070mm Nuestro modelo se puede observar en la figura 8, para el desarrollo del árbol vascular arterial del riñón incluyendo los parámetros fisiológicos ( s, C gf , ld , θ) .8 El árbol GR tiene intersección en diferentes segmentos 1 ≤ j ≤ 9 con los resultados previamente publicados. Los datos son generados considerando parámetros fisiológicos, los cuales concuerdan con el hecho de que los vasos sanguíneos decrecen en el árbol vascular arterial del riñón.1 Lo anterior implica que se puede calcular el número de vasos sanguíneos en cada segmento del árbol GR cuando éste se desarrolla por ab y ap, por ejemplo en el segmento j=9 existen 29=512 arterias interlobulillares. Así, el árbol vascular arterial del riñón se desarrolla por ab y ap, entonces podemos determinar el número total de vasos sanguíneos denotado por bv, en el j-ésimo segmento, esto es: bv = j ∑2 j −k k =0 para 0 ≤ j ≤ 9 . Por ejemplo, para el segmento j = 5 ∃ bv = 5 ∑2 k=0 5− k = 63 vasos sanguíneos en GR, 9 ∑ mientras que para j = 9 ∃ bv = 29− k = 1023 vasos k=0 sanguíneos en GR. El grado diametral de asimetría en una bifurcación d m −1 es expresado por el índice: α = d , donde 0 < α < 1 m y los diámetros dm-1 y dm son como los discutidos en la figura 7. El índice determina la asimetría entre los dos diámetros en la bifurcación. Cuando α=1, los dos diámetros son iguales, i.e., dm-1 = dm, y contrariamente un diámetro es más grande que el otro, i.e., dm-1 < dm cuando α<1. El árbol es simétrico si α=1 en todas las bifurcaciones en cada segmento en todo GR. Si existen ab y ap en el desarrollo del árbol vascular arterial del riñón, entonces el árbol GR es asimétrico. Supóngase que existen los procesos de ab y ap en GR, entonces tenemos: 1. Si el nuevo vaso sanguíneo es generado por ab, entonces dm-1 < dm lo cual implica que el índice es α<1. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Grafos en el desarrolo vascular arterial renal / Aurora Espinoza Valdez, et al. Pab=.3 Pab=.1 Pab=.4 Pab=.2 Pab=.5 Fig. 8. Izquierda: Árbol vascular de riñón.9 Derecha: Ejemplo de la morfología generada de la vasculatura arterial renal para las 5 diferentes probabilidades. 2. Por otro lado si los dos nuevos vasos sanguíneos son generados por ap, entonces dm-1 = dm lo cual implica que el índice es α=1. Por lo tanto, α no es contante en todo el desarrollo de la vasculatura arterial renal, esto es en GR. El árbol vascular arterial del riñón es asimétrico de acuerdo a lo observado experimentalmente. Al considerar los dos procesos de crecimiento en el desarrollo de la vasculatura arterial renal, por lo que GR también es asimétrico. CONCLUSIONES Se modeló el desarrollo vascular arterial del riñon usando teoría de grafos. En este documento se muestra que la vasculatura arterial renal se puede representar mediante un árbol G R con aristas orientadas y etiquetadas e incluyendo leyes fisiológicas de la bifurcación arterial. El árbol vascular arterial del riñón se genera mediante angiogénesis; esto es, la formación de nuevos vasos sanguíneos a partir de vasos preexistentes. Existen dos tipos de angiogénesis en el desarrollo vascular: brote y partición. Por definición brote y partición son dos procesos mutuamente excluyentes en GR. La principal diferencia en estos dos procesos es que en brote existe migración de células endoteliales, mientras que en partición solo existe reorganización de células endoteliales ya Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 existentes, en el vaso sanguíneo pre-existente donde se presenta el estímulo angiogénico. Existen seis posibles combinaciones para angiogénesis por brote y por partición en el árbol vascular arterial del riñón para generar la bifurcación arterial. Es importante distinguir cual vaso sanguíneo en la bifurcación arterial se desarrolla por brote, pues la información fisiológica afecta la morfología de la vasculatura arterial renal. El proceso αb genera un nuevo vaso sanguíneo y el proceso αp genera dos nuevos vasos sanguíneos, desde el punto de vista de la teoría de grafos, se puede concluir que la angiogénesis genera solamente bifurcaciones en GR. El árbol vascular arterial del riñón es hasta las arterias interlobulillares, se determinó la profundidad de GR entre 0 y 9 (i.e., 0 ≤ j ≤ 9 ). En base a teoría y datos experimentales organizamos su estructura de la siguiente forma: arteria renal, segmento 0; arterias interlobulares, segmentos 1-2; arterias arciformes, segmentos 3-4; arterias interlobulillares, segmentos 5-9. Se analizó la morfología de los árboles obtenidos para compararla con la estructura del árbol vascular arterial del riñón experimental. Se obtuvo la longitud lj de forma analítica en cada segmento j con Pab definida en el conjunto {0.1,0.2,0.3,0.4,0.5}. De igual forma, se obtuvo la longitud promedio en cada segmento a cada uno de los 5000 modelos GR para las diferentes probabilidades en ab y ap. Se compararon las longitudes promedio para cada segmento de GR con los datos experimentales de Nordsletten, et. al., (2006), observando intersección en los diferentes segmentos. Consecuentemente, cada segmento j (0 ≤ j ≤ 9 ) tiene 2j vasos sanguíneos, j=0 es la arteria renal, i.e., la raíz en GR. Entonces, degG (v )= 3 ∀v ∈ V (GR ) . R Por otro lado, se concluye que GR es asimétrico cuando el árbol arterial renal se desarrolla mediante angiogénesis por brote y por partición, lo cual concuerda con los datos experimentales en la vasculatura arterial renal. El proceso de angiogénesis por brote es el que más contribuye a incrementar la asimetría en la estructura del árbol vascular arterial del riñón, por definición de ab. En conclusión, la teoría de grafos permite modelar el desarrollo del árbol vascular arterial del riñón incorporando las leyes fisiológicas de la ramificación arterial. 37 �Grafos en el desarrolo vascular arterial renal / Aurora Espinoza Valdez, et al. REFERENCIAS 1. Guyton Arthur C. And Hall John E. (2000). Tratado de Fisiología Medica. Décima edición. Editorial McGraw- Hill. 2. Zamir M. And Phipps S. (1987). Morphometric analysis of the distributing vessels of the kidney. Can. J. Phisiol Pharmacol 65:2433-2440. 3. Zamir M. (2001). Arterial branching within the confines of the fractal L-system formalism. J. Gem. Physiol. 118:267-275. 4. Whal Eric M., Quintas Louis V., Lurie Lorranie L., and Gargano Michael L. (2004). A graph theory analysis of renal glomerular microvascular networks. Microvascular Research. 67:223-230. 5. Nordsleten David A., Blackett Shane, Bentley Michael D., Ritman Erik L., and Smith Nicolas P. (2006). Structural morphology or renal 38 6. 7. 8. 9. vasculature. Am Physiol Heart Circ Physiol. 291: H296-H309. Tomake Robert J. Editor (2001). Assembly of the vasculature and its regulation. Berlin: Birkhaüser. Bondy J. A. And Murty S. R. (1976). Graph theory with applications. University of Waterloo Ontario, Canada. Espinoza-Valdez A., Femat R. And OrdazSalazar F. C. (2010). A model for arterial branching based on graph theory. Mathematical Biosciences.225:36-43. F. I. Pérez, F. J. Gómez Campderá, V.M.S. García, M. Goicochea, A. Echenagusía, Gutiérrez Sanchez y Luño (2002). Hipertensión vasculorrenal y nefropatía isquémica secundaria a radioterapia. Hipertensión. 19 (2) 91. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Inteligencia sin palabras Gabriel Zaid RESUMEN En este ensayo se distingue la inteligencia verbal de la no verbal, esta última tiende a ser subestimada, pero es de importancia capital. PALABRAS CLAVE Inteligencia, pensamiento, sentidos, intuición. ABSTRACT In this essay the verbal and the nonverbal intelligences are distinguished. The last one usually is underestimated, howerever, it is of capital importance. KEYWORDS Inteligence, thinking, senses, intuition. Artículo publicado en la Revista Letras libres, No. 142, octubre 2010. Reproducido con la autorización del autor. INTRODUCCIÓN La inteligencia que conversa maravillosamente hace olvidar la inteligencia muda. La vista, el oído, el tacto, el gusto y el olfato entienden muchas cosas sin palabras ni interlocutor. Es una inteligencia íntima, incomunicable en el acto mismo de entender, aunque después sea tema de conversación. Sabio consejo de un entrenador de box (al poeta Julio Hubard): No pienses. Razonar toma tiempo, por poco que sea. Te distrae de la realidad inmediata. Y en esa fracción de segundo te pueden noquear. Hay una tradición milenaria que recomienda lo contrario: la previsión, el cálculo, el ponderar los pros y los contras. Actuar sin pensar se considera peligroso, inferior. Aristóteles llevó esa tradición al análisis de la inteligencia práctica y la deliberación (Ética nicomaquea). San Ignacio inventó un método para tomar buenas decisiones y llevar el control de su cumplimiento (Ejercicios espirituales). Pascal introdujo el cálculo de probabilidades como criterio para tomar una decisión (Pensamientos). En el siglo XX, las ideas de estos precursores fueron convertidas en una disciplina amplísima que cubre desde el análisis matemático hasta las prácticas recomendables para decidir, cumplir y evaluar los resultados. Herbert A. Simon hizo en 1955 la apología y la crítica de esta “nueva ciencia”: las matemáticas pueden ser tan complejas y la información necesaria tan costosa que lo racional es proceder con una decisión satisfactoria, aunque no sea la óptima (The new science of management decision). Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 39 �Inteligencia sin palabras / Gabriel Zaid En este contexto, se entiende un bestseller de Malcolm Gladwell, Blink: The power of thinking without thinking. Empieza con un ejemplo contundente. El Museo Getty exhibe un kurós: una estatua griega arcaica que representa a un joven desnudo, de pie, con los brazos a los costados y el pie izquierdo adelantado, en una posición hierática que recuerda el arte egipcio. Lo compró en siete millones de dólares porque sólo hay una docena de kurós tan completos (pueden verse en Google Imágenes). Naturalmente, encargó estudios que duraron más de un año, antes de tomar tamaña decisión. Y, sin embargo, un conocedor y luego otro y otro dudaron al primer vistazo, sin ser capaces de explicar por qué. Se organizó un coloquio internacional para discutirlo, y las opiniones se dividieron. Actualmente se exhibe con un rótulo indeciso: “Greek, about 530 bc or modern forgery”. El verdadero tema de Gladwell es la misteriosa capacidad de acertar de golpe, sin pensar y sin argumentos. Añade numerosos ejemplos de muy distintos órdenes. Pudo haber incluido el consejo del entrenador de box. Un buen golpe no se puede analizar, verbalizar, programar, ejecutar y controlar con la ciencia de Aristóteles, la sabiduría de San Ignacio, las matemáticas de Pascal o la nueva ciencia administrativa del decision making. No hay tiempo. Quizá la subestimación de la inteligencia sin palabras venga de subestimar a los animales. Aunque hay una tradición que los admira y hasta les atribuye capacidad de razonar, como en la fábulas de Esopo o el Coloquio de los perros de Cervantes, hay otra que niega su inteligencia, o se empeña en distinguirla de la “verdadera”, que es la humana. Los animales que observan con atención y exploran con curiosidad, que se coordinan para el vuelo o el ataque, que usan palos y piedras para lograr sus propósitos, que engañan intencionadamente, que avisan de peligros o lugares atractivos; que hablan con palabras humanas... parecen inteligentes, pero no lo son: los loros hablan sin saber lo que dicen. Para confirmar la diferencia, se acumulan distingos: El hombre es el único animal que razona, el hombre es el único animal que ríe, etcétera. Se atribuye a Mark Twain una burla sobre esta obsesión de superioridad: “El hombre es el único animal que 40 come sin tener hambre, bebe sin tener sed y habla sin tener nada que decir”. El autónimo de muchas tribus (el nombre que se dan a sí mismas en su lengua: los inuit, los maidu, los qomlik, los tlingit) es la misma palabra que usan para decir ‘seres humanos’. Puede ser etnocentrismo (no ver a las otras tribus como realmente humanas); semejante al de los griegos, que llamaban bárbaros (es decir: ‘balbucientes’) a todos los pueblos que no hablaban griego. Pero es quizá antropocentrismo: distinguirse de los animales. En todo caso, la inteligencia sin palabras parece menos inteligente o racional. Es un prejuicio milenario que ignora la refinada inteligencia de muchas formas de entender sin palabras, por ejemplo: al pintar un cuadro o contemplarlo; al componer música, interpretarla o escucharla; al catar un vino. Un buen ejemplo son las observaciones de Daniel Barenboim a jóvenes pianistas que interpretan sonatas de Beethoven (Barenboim on Beethoven: Masterclasses, dos devedés de emi Classics). Dice cosas de mucho interés para escuchar mejor un fragmento que se repite bajo observación; pero sus palabras no siempre logran comunicar la observación. A veces tiene que tocar para hacerse entender; primero, imitando la deficiencia que señala, y luego haciendo el cambio que sugiere. La inteligencia musical tiene refinamientos que pueden apreciarse con el oído, pero no siempre pueden describirse verbalmente. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Inteligencia sin palabras / Gabriel Zaid Los diccionarios de la lengua mejoran con dibujos o fotos, porque muchas cosas se entienden mejor mostradas que descritas con palabras. Hay incluso diccionarios puramente visuales que no sólo tienen esa ventaja, sino que permiten la búsqueda inversa, por ejemplo: saber cómo se llama tal parte de un automóvil. Hay uno gratis en línea (//visual. merriam-webster.com), y abundan los bilingües, como el excelente Oxford-Duden pictorial Spanish and English dictionary. No hay soluciones semejantes para las cosas musicales, táctiles, gustativas, olfativas. Sería de gran utilidad un devedé que ilustrara musicalmente el significado de muchos términos. Que mostrara, no sólo los instrumentos musicales y sus partes, con sus nombres en diversos idiomas, sino que permitiera escucharlos separadamente y contrastarlos. Que, tocando versiones comparables de un mismo fragmento, permitiera escuchar la diferencia entre una composición escrita en clave de sol o en clave de fa; entre una interpretación lenta o rápida, con mucho o poco pedal, con rubato o sin rubato. Y así también qué es el timbre, la fuga, la tesitura. Abundan los ejemplos de inteligencia sin palabras en la vida cotidiana: • Cuando se busca a tientas algo que no se ve, el tacto sabe reconocer, por ejemplo: el apagador de la luz. • Observando partes de un rompecabezas, no hace falta razonar con palabras para ver dónde van o no van. • Bastan unos cuantos compases para saber lo que sigue de una pieza musical, aunque no se recuerde el título. • Frenar oportunamente para no chocar es un acto reflejo, pero inteligente, que no da tiempo para hacer un análisis previo de los actos. • En el futbol americano, hay jugadas planeadas y explicadas a los participantes, pero también improvisaciones que aciertan sin plan previo y sin palabras. • Muchos actos heroicos se hacen sin pensar y luego sorprenden al mismo que los hizo. • La madre entiende lo que quiere un niño que no habla. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 • Todavía no se sabe exactamente cómo se reconoce de quién es una cara, y los programas de computación que lo intentan son complicados y requieren grandes bases de datos; a diferencia de una persona que reconoce a otra inmediatamente. • La misma persona no sabría fácilmente describir esa cara conocida con palabras, ni siquiera apoyándose en los recursos para construir un retrato hablado. • Tampoco es fácil describir por teléfono un cuadro abstracto. • Ni explicar a qué sabe un platillo exótico a quien nunca lo ha probado. Así como se habla de inteligencia artificial y de edificios inteligentes, puede hablarse de inteligencia sin palabras en general, pero conviene distinguir tipos de contacto: 1. Inteligencia puramente física. Sensores fotoeléctricos, piezoeléctricos, químicos, electromagnéticos. Cosas que se entienden entre sí: el agua con el vaso, los clavos con el imán, la veleta con el viento, la llave con la cerradura, la bola con el hueco de la ruleta. Partículas, sustancias o cuerpos que responden a cuerpos o campos cambiando de lugar, de velocidad, de forma, de temperatura, de presión, de voltaje; o resistiendo, disolviéndose, desintegrándose. 41 �Inteligencia sin palabras / Gabriel Zaid 2. Inteligencia vegetativa. Adaptaciones automáticas de la vida al medio. Los girasoles siguen la posición del sol a lo largo del día. Las pupilas se dilatan cuando reciben menos luz. Las defensas salen al encuentro de virus y bacterias, los reconocen y los destruyen. 3. Inteligencia sensorial. Contactos sentidos. Los ojos (los oídos, las manos, la lengua, las narices) reciben estímulos, los retienen (grabando imágenes efímeras o permanentes de la experiencia sensorial), los comparan con imágenes previas que están en la memoria y los interpretan. El tacto se concentra en las yemas de los dedos, pero toda la piel puede sentir calor o frío, presión o vacío, formas y texturas, piquetes, acidez, quemaduras. El medio interno también puede sentirse: hambre, sed, palpitaciones. Las diferencias y los matices, el placer y el dolor de las sensaciones en este tipo de inteligencia corresponden a un solo sentido que las identifica, las diferencia por contraste y mide su intensidad. 42 4. Intelección con todo el cuerpo, integrando dos o más sentidos para identificar algo, situarlo en su contexto y resolver problemas del medio externo (por ejemplo, evitar un golpe), interno (por ejemplo, guardar el equilibrio) o ambos (por ejemplo, marchar, bailar o aplaudir con ritmo). Implica interpretaciones y respuestas instantáneas, no reflexivas y esencialmente mudas, aunque pueden incluir gritos, gemidos o interjecciones. 5. Lectura de signos naturales, no simbólicos ni verbales. Presagios de lluvia. Presagios de un desmayo. Sonrisas. Caras de disgusto o de pánico. Señales de inteligencia. Un entrenador de budismo Zen aconseja (con palabras desconcertantes o con actos inusitados que parecen no venir al caso) salir de la película del fantaseo mental y sus razonamientos, abrir los ojos a la realidad y entender directamente las nubes que avanzan lentamente, los álamos que menea el aire. No pienses. Mira la eternidad en la que estamos sumergidos. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Planeación justo a tiempo: Soluciones óptimas mediante reformulaciones convexas Fernando Elizalde Ramírez Instituto Tecnológico de Cerro Azul fernandoelizalderamirez@gmail.com Yadira I. Silva Soto, Yasmín A. Ríos-Solís División de Posgrado en Ingeniería de Sistemas, FIME-UANL yadis76@gmail.com , agueda.riossl@uanl.edu.mx RESUMEN En este trabajo se aprovecha el gran alcance de la teoría de la programación cuadrática para obtener soluciones óptimas de problemas complejos de planeación de la producción justo a tiempo. Se aplica una metodología que inicia, a diferencia de otros enfoques clásicos, con una formulación del problema de planeación justo a tiempo para máquinas paralelas mediante un programa cuadrático con variables 0-1 y restricciones lineales. Por construcción, este programa de segundo grado no es convexo por lo que se reformuló antes de someterlo a un procedimiento de ramificación y acotamiento para obtener la solución óptima, de manera que se garantiza la convexidad y se obtiene una cota inferior de alta calidad. Los resultados obtenidos muestran que esta metodología permite obtener mejores resultados en comparación con otras estrategias reportadas en la literatura científica. PALABRAS CLAVE Programa cuadrática, reformulación convexa, matriz semidefinida positiva, planeación justo a tiempo. ABSTRACT Advantage of quadratic programming theory to obtain optimal solutions of just-in-time scheduling problems is taken in this work. A methodology that begins, in contrast to more classical approaches, by formulating the just in time parallel machine scheduling problems as a 0–1 quadratic programs under linear constraints is applied. By construction this quadratic program is nonconvex. Therefore, it is reformulated in such a way that we can ensure convexity and a high-quality continuous lower bound before submitting it to a branchand-bound procedure. Experimental results show that this methodology produce better results compared to other strategies reported in the scientific literature. KEYWORDS Quadratic programming, convex reformulation, positive semidefinite matrix, just-in-time optimization. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 43 �Planeación justo a tiempo: Soluciones óptimas mediante reformulaciones convexas / Fernando Elizalde Ramírez, et al. INTRODUCCIÓN En este mundo globalizado, las empresas tienen como prioridad mantener satisfecho al cliente. Para esto buscan desarrollar productos de calidad y entregarlos en la fecha acordada. Pero de igual modo tratan de disminuir los costos de producción y de almacenamiento, y es allí donde nace la Planeación Justo-a-Tiempo. La planeación justo a tiempo es un problema complejo en que se debe secuenciar un número de tareas dadas, en un conjunto de máquinas paralelas, donde el número de tareas es mayor que el de las máquinas. Todas las tareas tienen una fecha de entrega común, así como un tiempo de procesamiento. Cada tarea tiene penalidades de adelanto (costos de almacén, vigilancia, costos por caducidad) y de atraso (descontento del cliente). El objetivo es ejecutar todas las tareas en las diferentes máquinas de manera que se minimice la sumatoria ponderada de las penalidades de adelanto y de retraso. Este problema puede modelarse de manera natural con una función objetivo cuadrática. En la literatura, la metodología usual es hacer una linearización del modelo para que el problema sea tratable. Nuestro aporte es usar el modelo cuadrático y reformularlo de manera a hacerlo tratable. La tratabilidad en estos problemas significa que el modelo puede ser sometido a un algoritmo clásico de ramificación y acotamiento (Brach and Bound, B&B). Dicho algoritmo se encuentra en muchas librerías comerciales de la optimización discreta. El algoritmo B&B hace relajaciones lineales (ya no considera que se requieren variables 0-1) y con esto logra explorar el espacio de soluciones de manera inteligente para finalmente encontrar la solución óptima. Sin embargo, para poder usar este método requerimos dos cualidades muy importantes en el modelo: convexidad y calidad en las relajaciones. El modelo cuadrático del problema de producción justo a tiempo que presentaremos más adelante tiene asociada una matriz Hessiana cuya estructura es diagonal a bloques. Esta matriz no es semidefinida positiva, por lo tanto la función objetivo no es convexa. El objetivo de este artículo es proponer métodos de reformulaciones convexas que usan la estructura 44 diagonal a bloques de la matriz Hessiana. Con este método, obtenemos un problema equivalente convexo y podemos optimizar el problema mediante los ya mencionados métodos de ramificación y acotamiento. Este artículo está basado en el de Plateau y RíosSolís1 y en la tesis de maestría de Soto-Silva.2 Las principales mejoras que proponemos en este estudio, son el problema nuevo de máquinas paralelas idénticas y el uso de la estructura diagonal a bloques de la matriz Hessiana para las reformulaciones convexas. FORMULACIÓN MATEMÁTICA Nuestro caso de aplicación es la Planeación Justo a Tiempo con fecha de entrega común, es decir, se requiere que todas las tareas sean entregadas en una misma fecha. Por ejemplo, esto sucede si hay una fase de ensamble posterior o si el cliente así lo requiere. Se busca idealmente: cero inventarios, cero transacciones y cero disturbios. Los problemas de producción Justo a tiempo han sido ampliamente estudiados en la literatura. Sin embargo, el esfuerzo se ha centrado en los problemas con una sola máquina.3-5 En este artículo nos enfocamos al caso de máquinas paralelas. Formalmente, el problema que se estudia consiste en secuenciar n tareas en m máquinas paralelas que trabajan a velocidades iguales. Se tienen los siguientes conjuntos: J es el conjunto de tareas que van a ser procesadas en las m máquinas; J = {1, 2, 3,…, n}. M es el conjunto de máquinas en las cuales se van a secuenciar (o ejecutar) las tareas; M ={1, 2, 3,..., m}. Cada tarea i tiene asociado un tiempo de procesamiento o tiempo de ejecución, dependiendo de la máquina j en la cual la tarea se realice, denotado por pij. Además, todas las tareas tienen asociada una fecha de vencimiento común, denotada como d. Revisiones de literatura acerca de las fechas de entrega comunes en problemas de justo a tiempo fueron presentadas por Baker y Scudder6 y por Gordon et al.7 El tener en el problema una fecha de vencimiento común genera inevitablemente atrasos y adelantos en las tareas con respecto a esta fecha. Lo deseable es que las tareas terminaran de ser procesadas justo Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Planeación justo a tiempo: Soluciones óptimas mediante reformulaciones convexas / Fernando Elizalde Ramírez, et al. a tiempo, es decir, a la fecha de entrega. Esto no es posible ya que todas las tareas tienen la misma fecha de vencimiento y el número de tareas es mayor que el de las máquinas, por lo que algunas tareas serán terminadas de procesar antes de la fecha de entrega, las así llamadas tareas adelantadas, las cuales pagarán una penalidad de adelanto αi por unidad de tiempo. También se tiene tareas que terminan después de la fecha de entrega, a las cuales se le conoce como tareas atrasadas y se les cobra una penalidad de atraso βi por unidad de tiempo. Lo que se busca es el tiempo de fin de cada una de las tareas y la máquina que las procesará con el objetivo de que la suma ponderada de penalidades de adelantos y de retrasos sea minimizada. En la figura 1 el tamaño de cada bloque indica el tiempo de procesamiento de cada tarea. Si se observa, la tarea 1 y 4 quedaron justo a tiempo de la fecha de entrega, mientras que la tarea 2, terminó de ser ejecutada después de la fecha de entrega. La tarea 3, terminó de ser procesada antes de la fecha de entrega común. Fig. 2. Ejemplo de costos de adelanto y retraso de secuenciación de tareas. min Σi∈J αiEi+BiTi s.a. Σi∈J Σl∈{Ε, Τ}xijl=1 ∀i∈J x ∈ {0, 1}2nm Donde ( Ei =Σ i∈M xi j E Σ k ≺ i xkj E Pkj ( Ei Ti =Σ i∈M xi j T Pi j +Σ k ≺ i Ei ) xkj T Pkj ) Los índices de las sumatorias para E i y T i representan un orden parcial de las tareas que se define mediante su prioridad dada por la división entre sus penalidades por unidad de tiempo de procesamiento. Para más detalles ver.2,8 De igual manera se puede escribir el anterior modelo de programación cuadrática en su forma estándar (e.g.9): Fig. 1. Ejemplo de secuenciación de tareas. mi ng (x)= 21 x t Qx+cx s.a. Ax=1 x ∈{0,1} 2nm En la figura 2, se tiene que la tarea i+1 es ejecutada por adelantado. El costo por tener está tarea por adelanto que es terminada en el tiempo Ci+1, es αi+1 max{0, d – Ci} = Ei+1. Ahora, si la tarea se realiza justo a tiempo entonces no tendrá costo. De igual manera, si se tiene una tarea con retraso, se tiene un costo de βi+1 max{0, Ci – d} = Ti. El modelo matemático para este problema queda definido con las variables xijk que toman el valor de 1 si la tarea i se hace en la máquina j y es del tipo k, con k igual a E si es una tarea por adelantado y k igual a T si es una tarea que se posicionará en retraso. Dicha variable toma el valor de 0 en otro caso. El modelo matemático es el que sigue y está basado en:2 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 Donde: x= Vector de variables de decisión. c= Vector de costos lineales, que en este caso solo serían las penalidades de retraso. Q= Matriz Hessiana asociada a la función objetivo. A= Matriz de restricciones. La matriz Q asociada a este problema no es una matriz semidefinida positiva, por lo tanto la función objetivo no es convexa. Una particularidad de este problema, y que se ha observado ya en otros problemas de optimización combinatoria, es su estructura diagonal por bloques como lo muestra la figura 3. 45 �Planeación justo a tiempo: Soluciones óptimas mediante reformulaciones convexas / Fernando Elizalde Ramírez, et al. Fig. 3. Estructura diagonal por bloques de la matriz Hessiana. Este nuevo modelo cuadrático nos permite aplicar las reformulaciones convexas que a continuación presentaremos. Mejor aún, las modificaremos para aprovechar que la matriz Hessiana tiene una estructura a bloques que podemos utilizar para crear mejores reformulaciones convexas, como se mostrará al final de este trabajo. MÉTODOS DE REFORMULACIONES CONVEXAS Existen varios métodos de reformulaciones convexas basados en la perturbación de la matriz Hessiana. Nuestro método, el 4, usa las reformulaciones 1.-3., pero aprovecha la estructura a bloques de la matriz Hessiana. 1. Método que utiliza CPLEX10 para optimizar un problema de programación cuadrática: primero verifica si la matriz Hessiana es semidefinida positiva, si lo es, comienza la optimización mediante un algoritmo de barrera (puntos interiores). Ahora, si es un problema en el que se tienen variables binarias o enteras, optimiza mediante un método de B&B. Si la matriz no es semidefinida positiva la convexifica sumando un número grande en la diagonal. 2. Método basado en el mínimo valor propio11,12 que consiste en perturbar la diagonal de la matriz Hessiana con el mínimo valor propio de ésta, es decir, a cada elemento de la diagonal principal se le resta el mínimo valor propio de la matriz Hessiana, como se observa en la figura 4. Esto garantiza que la matriz Hessiana sea una matriz semidefinida positiva y la función objetivo sea convexa. Existen otros métodos de reformulación que en este trabajo no se consideran dado que tardan mucho en obtenerse las reformulaciones para instancias medias. 3. Método basado en programación semidefinida:9 La programación semidefinida es un caso 46 Fig. 4. Función equivalente. especial de la programación convexa. La idea general de la programación semidefinida es optimizar una función lineal sujeta a restricciones lineales con la condición de que haya una matriz semidefinida positiva, ya que el conjunto de matrices semidefinidas positivas constituye un conjunto convexo. El objetivo de este método es determinar los mejores parámetros que hacen que la función equivalente obtenida sea convexa y además, que la cota inferior obtenida mediante relajación continua sea máxima, es decir, que la función equivalente este lo más cerca de la función objetivo original. Se tiene ahora una función equivalente convexa a la función original, como se muestra en la figura 4. En efecto, una reformulación no es más que un problema que en variables 0-1 da exactamente el mismo valor que el problema original. Sin embargo, cuando se relaja (para usar el método de B&B) es diferente el valor que se obtiene. Lo que se busca es una reformulación que en la relajación sea lo más cercano a la función original como lo muestra la figura 4 (los puntos de intersección son las soluciones con variables 0-1). Es aquí donde proponemos nuestra reformulación. 4. Método basado en la estructura diagonal a bloques: Nuestro método aprovecha la estructura diagonal a bloques de la matriz Hessiana, separando la matriz original en submatrices que representan a cada bloque, tal que la suma de estas matrices den como resultado la matriz original. Como se puede observar en la figura 5. Fig. 5. Descomposición de una matriz Hessiana. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Planeación justo a tiempo: Soluciones óptimas mediante reformulaciones convexas / Fernando Elizalde Ramírez, et al. El objetivo de nuestro método es hacer semidefinida positiva cada submatriz de la matriz original mediante el método de mínimo valor propio. Mediante estos métodos se obtienen parámetros con los que se perturban cada una de las submatrices, por lo tanto las submatrices se vuelven semidefinidas positivas, y sumadas conforman la matriz original pero ahora semidefinida positiva, teniendo así que la función objetivo es convexa. Así, al convexificar matrices más pequeñas, el tiempo de cómputo total se ve drásticamente disminuido. Los pasos a seguir en nuestro método son: 1. Descomponer la matriz Hessiana en submatrices. 2. Obtener el mínimo valor propio de cada submatriz. 3. Obtener una reformulación convexa de la función objetivo perturbando cada bloque de la matriz Hessiana con el mínimo valor propio que le corresponde a cada submatriz. 4. Utilizar un método de B&B para obtener soluciones óptimas de la función equivalente y por lo tanto estas soluciones también son óptimas para la función original. RESULTADOS EXPERIMENTALES Los resultados presentados en la tabla I, se lograron mediante la implementación del método propuesto de descomposición por bloques y mínimo valor propio para dos problemas de planeación de la producción justo a tiempo. El primero es el que se analizó en2 que considera máquinas paralelas diferentes para ejecutar las tareas (lado izquierdo de la tabla I). El segundo es el que se propone en este trabajo que considera máquinas paralelas idénticas. La tabla I tiene en la primera columna el tamaño de la instancia (m,n), es decir, el número de máquinas y el número de tareas. Es de observarse que el tamaño de instancia alcanzado es el considerado como mediano. Sin embargo, resoluciones exactas para este problema no alcanzan estas tallas. Es decir, son los mejores resultados de la literatura. Cada renglón de la tabla I es un promedio de 10 instancias. La columna Objetivo muestra el valor promedio de la función objetivo. Podemos ver que aunque parezca contra intuitivo, es frecuente que en máquinas paralelas idénticas tenemos peores valores objetivo. La columna Iteraciones corresponde al Tabla I. Resultados obtenidos para modelos anteriores y para el modelo propuesto en este estudio. Máquinas diferentes paralelas Instancia Objetivo Iteraciones Nodos Máquinas idénticas paralelas Tiempo GAP % (segundos) Objetivo Iteraciones Nodos Tiempo GAP % (segundos) (2, 30) 1917,2 9704 4264 1,59 0,00 2951 4132355 3565893 1355,7 0,00 (2, 60) 7838,2 272771 117659 101,28 0,00 12598,2 9170179 3288118 3600 0,00 (2, 100) 21023,8 2236485 1031468 1907,10 0,01 33856,4 3489428 1315821 3600 2,59 (2, 150) 45481,6 1856769 800805 3600 0,08 76622,4 1330727 531040 3600 1,96 (4, 30) 501,2 18008409 4697613 3600 0,00 1307 19276149 4722695 3600 10,06 (4, 60) 3194,2 7904528 1744828 3600 8,45 6641,5 4632296 1135753 3600 10,05 (4, 100) 5814,25 2544829 763620 3600 5,61 16524,4 1030856 313420 3600 9,65 (4, 150) 14427,2 1578912 379822 3600 4,13 39781,4 223493 67423 3600 6,98 (6, 30) 13068927 2826620 3600 95,88 744 12608695 2732882 3600 52,2 268,6 (6, 60) 1199,4 5159969 993857 3600 40,60 4075 2498753 573813 3600 25,66 (6, 100) 2929,4 1955241 357798 3600 24,73 11955 497676 115296 3600 12,45 (6, 150) 6721,4 804388 132831 3600 14,56 23828,2 93670 23123 3600 12,4 (8, 30) 130,6 9149790 2424856 3600 334,51 706,4 11242494 2233081 3600 76,59 (8, 60) 565,2 2508000 499349 3600 112,58 2033,25 2161275 360625 3600 17,6 (8, 100) 1775,8 1037400 188474 3600 48,93 7286,6 341880 65975 3600 12,82 (8, 150) 3970,4 412540 132831 3600 27,81 18532,6 78029 15250 3600 4,35 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 47 �Planeación justo a tiempo: Soluciones óptimas mediante reformulaciones convexas / Fernando Elizalde Ramírez, et al. número de relajaciones lineales que se hicieron para resolver el problema. De nuevo observamos que contra intuitivamente para las máquinas idénticas tenemos un mayor número de iteraciones. Esto puede ser porque cuando las máquinas son diferentes, el algoritmo descarta malas soluciones rápidamente. La columna Nodos se refiere al número de nodos explorados por el B&B. El Tiempo refleja el tiempo total del B&B en segundos (es de notarse que se limitó el tiempo a 3600 segundos). Finalmente la columna GAP% refleja la diferencia entre la mejor solución obtenida y la mejor relajación. Se puede observar en esta tabla, en los resultados de las instancias con dos máquinas, que los mejores resultados son obtenidos para el modelo de máquinas diferentes paralelas debido a que sus valores son menores a comparación del otro conjunto, con la misma cantidad de máquinas pero en este caso idénticas. Para el caso donde se tienen 4 máquinas, el modelo de máquinas diferentes paralelas presenta mejores valores del gap entre los dos modelos, aunque el de las máquinas idénticas paralelas tiene valores más bajos de iteraciones y nodos explorados, tarda más en resolver que el de las máquinas diferentes. COMPARACIÓN DE RESULTADOS En la figura 6 se muestran comparativos entre máquinas paralelas diferentes e idénticas. En la primera línea están dos gráficas para el caso de máquinas paralelas diferentes para instancias con 30 y 150 tareas. En la segunda línea de la figura 6 se muestra el caso de máquinas paralelas idénticas también para instancias de 30 y 150 tareas. En las cuatro gráficas se muestra en el eje de las abscisas corridas de diferentes instancias (5 instancias diferentes). En el de las ordenadas se muestra el porcentaje del GAP ((Mejor solución conocida-Mejor solución relajada)/Mejor solución conocida). Se observa como el GAP disminuye cuando se incrementa el número de tareas. Contra intuitivamente, para el caso de máquinas paralelas los GAPs para instancias de 30 tareas son menores que para máquinas diferentes. Sin embargo, para instancias de 150 tareas eso es contrario. Fig. 6. GAPs y comparativo entre número de tareas y de máquinas. 48 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Planeación justo a tiempo: Soluciones óptimas mediante reformulaciones convexas / Fernando Elizalde Ramírez, et al. En la figura 7 se muestran gráficas similares pero ahora en el eje de las ordenadas se tiene el número de iteraciones que realiza el B&B (mayor número de iteraciones refleja una instancia más difícil). En la primera columna están las dos gráficas de máquinas paralelas diferentes y en la segunda columna la de paralelas idénticas. Se puede observar que ahora el número de iteraciones para máquinas idénticas es menor para instancias de 30 tareas. Sin embargo, vemos lo contrario con las instancias de 150 tareas. La figura 6 es relevante dado que para entender mejor el comportamiento de las instancias se requiere entender las soluciones que arrojan. De esta manera se pueden proponer mejores métodos de resolución. Los mejores resultados del GAP los arroja el conjunto de máquinas idénticas paralelas, ya que en la mayoría de las instancias son más bajos en comparación con los resultados obtenidos para las máquinas diferentes paralelas, esto quiere decir que se encuentra más cerca del resultado óptimo. La figura 7 es también una comparativa para entender mejor el comportamiento del método B&B cuando es utilizado en nuestras instancias y con nuestro método de reformulaciones por bloques. Lo relevante de estas figuras es que el número de iteraciones disminuye conforme el número de tareas aumenta. Sin embargo, sigue siendo menor para el caso de máquinas diferentes. Un caso peculiar se da en las máquinas diferentes, como se puede observar en las gráficas, conforme se aumenta el número de tareas para el caso de 2 máquinas, el número de iteraciones aumenta. CONCLUSIONES En este trabajo se propuso un modelo matemático para el problema de la planeación de la producción justo a tiempo en máquinas paralelas y con una fecha de entrega común. Se propuso usar métodos de reformulaciones convexas que aprovecharan la estructura diagonal a bloques de la matriz Hessiana y se realizaron experimentos computacionales. Cabe mencionar que el problema que se trató es de actualidad en la literatura científica y que los resultados obtenidos son los mejores de la literatura en lo que se refiere a soluciones exactas. El método de reformulación convexa propuesto en este trabajo, puede ser utilizado para cualquier problema de programación cuadrática, con restricciones lineales y variables binarias como son los problemas de localización, por ejemplo. Fig. 7. Iteraciones y comparativo entre número de tareas y de máquinas. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 49 �Planeación justo a tiempo: Soluciones óptimas mediante reformulaciones convexas / Fernando Elizalde Ramírez, et al. Para el caso de este trabajo donde se estudia un sistema de planeación justo a tiempo con fecha común se compararon los resultados obtenidos para máquinas diferentes paralelas y máquinas idénticas paralelas teniendo las siguientes observaciones: • El valor del GAP disminuye conforme se incrementa el número de tareas, pero aumenta conforme el número de máquinas se hace mayor. • El número de iteraciones de igual modo que el GAP, disminuye conforme aumenta el número de tareas y a mayor número de máquinas más iteraciones se realizaran. Este estudio permite que en futuras investigaciones se utilice más a fondo la estructura de los problemas para obtener mejores resultados. AGRADECIMIENTOS A la Academia de Mexicana de Ciencias por la beca otorgada al Ing. Fernando Elizalde Ramírez para la realización de la estancia del Verano de la Investigación Científica en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL en el posgrado de Ingeniería en Sistemas. A la FIME por la organización de los talleres, clases, seminarios y eventos realizados alrededor del Verano Científico 2010. REFERENCIAS 1. M.-C Plateau and Y.A. Rios-Solis. O p t i m a l solutions for unrelated parallel machines scheduling problems using convex quadratic reformulations. European Journal of Operational Research, 201(3):729–736, 2010. 2. Yadira I. Silva Soto, Planeación Justo a Tiempo Mediante Reformulaciones Convexas, tesis de maestría UANL, 2010. 50 3. F. Sourd, A reinforced Lagrangean relaxation for non-preemptive single machine problem, in: Tenth International Workshop on Project Management and Scheduling, 2006, pp. 330–334. 4. M. Feldmann, D. 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Las celdas presentaron una alta capacidad específica debido a la capacidad que presentó el óxido para aceptar 98 iones litio por unidad fórmula de Bi14W2O27. Sin embargo, dicha capacidad se perdió abruptamente después del primer ciclo de carga-descarga de la celda debido a una transformación irreversible de la estructura cristalina del tungstato. El estudio establece que más allá del arreglo cristalino, la presencia de bismuto en éste tiene mayor influencia en el comportamiento electroquímico ante la reacción de inserción de litio. PALABRAS CLAVE Litio, inserción, tungstato de bismuto, síntesis, celda electroquímica. ABSTRACT The reaction lithium insertion of bismuth tungstate Bi14W2O27 was studied in this work synthesized by solid state reaction and tested as positive electrode in electrochemical cells. The cells showed a high specific capacity due to the ability shown by the oxide to accept 98 lithium ions per unit formula of Bi14W2O27. However, this capacity was lost abruptly after the first cycle of charge-discharge of the cell due to an irreversible transformation of the crystalline structure of the tungstate. The study established that further that the crystalline arrangement, the presence of the bismuth on it has a greater influence in the electrochemical behavior of the reaction with lithium. KEYWORDS Lithium, insertion, bismuth tungstate, synthesis, electrochemical cell. INTRODUCCIÓN Los óxidos binarios del diagrama de fases Bi2O3 - WO3 han sido estudiados extensamente debido a su conductividad iónica, ferroelectricidad, piezoelectricidad, piroelectricidad, susceptibilidad dieléctrica no lineal y actividad catalítica.1-5 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 51 �Electroquímica de la reacción de litio con el tungstato Bi14W2O27 / Francisco E. Longoria Rodríguez, et al. La estructura de las fases Aurivillius se describe como láminas de (Bi2O2)2+, separadas por capas de octaedros tipo perovskita de composición (WnO3n+1)2-, donde “n” representa el número de capas de octaedros presente en la estructura. En particular las fases con estructura tipo Aurivillius (Bi2WnO3n+3) de este sistema han despertado gran interés desde su descubrimiento debido a su estructura cristalina laminar y a sus propiedades físicas, lo cual ha permitido conocer más acerca de la química del bismuto y su par de electrones desapareados.6-7 En años recientes numerosos óxidos de metales de transición han sido estudiados, debido a su aplicación potencial como electrodos en baterías recargables de litio o como materiales activos en diversos dispositivos electroquímicos.8-9 La capacidad de estos materiales viene determinada por su habilidad para reaccionar con litio a través de una reacción de inserción. Dentro de este tipo de materiales, los tungstatos de bismuto con estructura tipo Aurivillius Bi2WO6 y Bi2W2O9 han sido probados como electrodos para la inserción electroquímica de litio.10-11 Puesto que estos óxidos presentan una estructura abierta con elementos en alto estado de oxidación, la cantidad de litio insertado origina altos valores de capacidad específica de celda. No obstante, estos valores se pueden ver afectados por una transformación estructural irreversible del compuesto de partida, la cual implica la reducción de Bi3+ a Bi0 y producen un notable descenso en el valor de la capacidad de la celda. La fase Bi14W2O27 cristaliza en la zona rica en bismuto en el sistema Bi2O3 - WO3. Este material es de gran interés debido a su alta conductividad iónica.12-13 La estructura de este óxido binario ha sido descrita como una estructura derivada de la fluorita, con un grupo espacial I41 y parámetros de celda de a=12.513(2) Å y c=11.231(4) Å 14 (figura 1). Fig. 1. Estructura cristalina del tungstato Bi14W2O27. 52 La influencia del par de electrones desapareados del bismuto no se manifiesta de manera significativa en la estructura del Bi14W2O27, a diferencia de las fases tipo Aurivillius, en donde juega un papel definitivo en la formación de su enrejado cristalino. En este sentido, en el presente trabajo de investigación se ha llevado a cabo el estudio de la reacción electroquímica de litio con el tungstato de bismuto Bi14W2O27 con la finalidad de establecer la influencia que tienen en este proceso tanto la química del bismuto como los elementos estructurales presentes. EXPERIMENTACIÓN El tungstato Bi14W2O27 se sintetizó a partir de los óxidos Bi 2O 3 y WO 3 mediante reacción en estado sólido. Ambos compuestos se mezclaron en proporciones estequiométricas y la mezcla fue tratada térmicamente en un horno eléctrico a 800ºC durante 48 h. El producto obtenido se dejó enfriar a temperatura ambiente, fue molido y analizado mediante difracción de rayos–X en polvo en un difractómetro SIEMENS D-5000 con radiación Kα del Cu y un monocromador de níquel. El análisis se realizó en un rango 2θ de 5º a 90º con un paso de 0.05º/s. El estudio electroquímico de la reacción de litio se efectuó en celdas tipo Swagelok, en las cuales el litio actuó como electrodo negativo y de referencia, mientras que el electrodo positivo fue una pastilla de 7 mm de diámetro preparada con un 89% de material activo, 10% de carbón amorfo conductor y 1% de etilen-propilen-dien-terpolímero (EPDT) (figura 2). Como electrolito se utilizó una solución de 1 mol/dm3 de LiPF6 en un mezcla 1:1 de carbonato de etileno y carbonato de dimetilo. Todas las celdas fueron ensambladas dentro de una caja seca llena con argón para evitar la descomposición del litio. Fig. 2. Esquema de los componentes de la celta tipo Swagelok. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Electroquímica de la reacción de litio con el tungstato Bi14W2O27 / Francisco E. Longoria Rodríguez, et al. En un experimento galvanostático típico, se utilizó una densidad de corriente ±150μA/cm2 para ciclar la celda a diferentes valores de Voltajes vs Li+/Li0 en un sistema multicanal potenciostato/galvanostato tipo MacPile II. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El difractograma del sólido resultante de la síntesis del tungstato Bi14W2O27 se muestra en la figura 3. La indexación de las reflexiones muestra una total concordancia con el patrón de referencia JCPDS No. 390061. Fig. 4. Gráfica de E(x) de un conjunto de celdas de la fase Bi14W2O27. Fig. 3. Difractograma de la fase Bi14W2O27. El resultado de un ciclo de carga-descarga de dos celdas electroquímicas de configuración Li/electrolito/ Bi14W2O27, bajo condiciones galvanostáticas hasta potenciales finales de trabajo de 0.5 V y 0.08 V vs Li+/Li0, se muestra en la figura 4. La cantidad de litio que ha reaccionado hasta estos valores mínimos de potencial fue de 88 y 98 litios, respectivamente, lo cual les confiere una capacidad específica de celda superior a los 600 Ah/kg. Durante la descarga de la celda se observa en el perfil de la curva E(x) que la reacción ocurre a través de tres zonas de potencial semiconstante identificadas como A, B y C, separadas por regiones en donde el potencial varía abruptamente con la composición marcadas con los números I, II, III y IV. La medida de la variación de la diferencia de potencial entre los electrodos cuando se les aplica una corriente constante, proporciona en el caso de producirse una reacción de intercalación información sobre la naturaleza de los compuestos, cuya composición media se puede calcular a través de Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 la Ley de Faraday. En primera instancia una variación continua de potencial en función de la composición denota la formación gradual de una solución sólida; mientras que una constancia en el valor del potencial para un intervalo de composición dado está asociada con una transición de fase de primer orden. En el proceso de carga, en ambas celdas, el sistema sólo puede remover los iones litio correspondientes al proceso C, lo que implica una pérdida drástica de la capacidad específica de la celda en los ciclos subsecuentes de carga-descarga debido a la existencia de procesos irreversibles. En la tabla I se muestra la capacidad específica de las celdas durante los tres primeros ciclos de cargadescarga. Como se puede apreciar en dicha tabla, más de la mitad de la capacidad se pierde conforme transcurren los ciclos de carga-descarga, debido a la incapacidad del sistema para remover una gran cantidad de iones litio durante el proceso de carga. En un análisis detallado de las curvas E(x) se puede establecer que la cantidad de litio que ha Tabla I. Variación de la capacidad específica conforme al número de ciclos para la fase Bi14W2O27. Capacidad específica Ah/Kg Potencial final de trabajo 1er Ciclo 2do Ciclo 3er Ciclo 0.5 V 639 219 85 0.08 V 707 313 108 53 �Electroquímica de la reacción de litio con el tungstato Bi14W2O27 / Francisco E. Longoria Rodríguez, et al. reaccionado en los procesos identificados como A y B (de naturaleza irreversible), equivale a la cantidad necesaria para reducir todo el bismuto presente en el compuesto hasta su estado elemental, ya que la suma de los iones litio involucrados da un valor de 42. Por otra parte, durante la tercer región de potencial constante identificada como C, la cual aparece a un valor cercano a 0.7 V vs Li+/Li0, se incorporan al menos 42 iones litio adicionales. Tal cantidad de litio es suficiente para promover una nueva reducción del Bi elemental ahora a su forma Bi3- y dar paso a la formación consecutiva de las aleaciones BiLi y BiLi3. En la literatura se ha reportado que la formación de éstas ocurre a valores de potencial similares al que aparece el proceso C.10, 15, 16 La región de caída de potencial ubicada entre las zonas B y C, involucra la reacción de 4 iones litio, mediante un mecanismo de solución sólida, posiblemente asociado a la reducción de W6+ a W4+ en los 2 átomos de tungsteno. En el caso de la celda descargada hasta un potencial de trabajo de 0.08 V vs Li+/Li0, después del proceso C existe una región donde el potencial varía con respecto a la composición, dicha región abarca una cantidad aproximada de 10 iones litio, esta cantidad es mayor al teórico esperado para la reducción de los átomos de tungsteno de 4+ a su estado elemental. Este fenómeno se ha observado en otros compuestos que se descomponen a bajos potenciales.17-19 La capacidad extra podría estar relacionada a la reducción del carbón y/o a la formación de una capa pasiva del electrolito debido a su descomposición. En un ciclado de la celda electroquímica en condiciones potenciostáticas, cuyo resultado se muestra en la figura 5, se observa, la presencia de tres mínimos de reducción que son atribuidos a cada una de las zonas de potencial semi-constante presentes durante la descarga de la celda en los experimentos galvanostáticos. Durante la carga de la celda en el experimento potenciostático, se observa sólo un máximo de oxidación atribuido al proceso identificado con la letra C, corroborando la naturaleza reversible de dicho proceso y el carácter irreversible de los procesos A y B. Para confirmar la interpretación del diagrama de E(x) se analizó a detalle la cinética de la reacción de litio con el tungstato Bi14W2O27 a través de las curvas de relajación I(t) en un experimento potenciostático. 54 Fig. 5. Voltamograma de una celda de la fase Bi14W2O27. Como se puede observar en la figura 6, cuando el sistema atraviesa cada uno de los mínimos de reducción (procesos identificados como A, B, y C en el diagrama E vs x), el comportamiento de las curvas no obedece la ley de t1/2, por lo cual, se puede inferir que la difusión del ion litio no es el proceso que regula la velocidad de la reacción. Lo anterior indica que el sistema atraviesa una región bifásica donde tiene lugar una transición de fase de primer orden. Por otra parte, cuando el sistema atraviesa las regiones en donde el potencial varía con respecto a la composición (procesos marcados como I, II, III y IV en la gráfica de E vs x), el comportamiento de las curvas de relajación es homogéneo, típico de la formación de soluciones sólidas. Estos resultados están en concordancia con la primera interpretación realizada al diagrama de potencial contra la composición. Por todo lo antes expuesto, se puede establecer que existe una semejanza en el comportamiento electroquímico que presenta el tungstato Bi14W2O27 y las fases con estructura tipo Aurivillius del sistema Bi2O3-WO3 estudiadas en trabajos previos.10-11 Es importante notar que la estructura cristalina de Bi14W2O27 es diferente a la estructura tipo Aurivillius que presentan otros tungstatos de bismuto dentro del mismo diagrama de fases. Dada la similitud observada entre el comportamiento de Bi14W2O27 y los tungstatos tipo Aurivillius ante la inserción de litio, parece claro que es la naturaleza química de los elementos presentes en los tungstato de bismuto la que gobierna su comportamiento electroquímico y no los factores estructurales. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Electroquímica de la reacción de litio con el tungstato Bi14W2O27 / Francisco E. Longoria Rodríguez, et al. regiones de solución sólida, lo anterior fue confirmado mediante el estudio de la cinética de la reacción. Los altos valores de capacidades específicas (mayores a 600 Ah/kg) mostradas por las celdas de configuración Li/electrolito/Bi14W2O27 se deben a que el tungstato posee en su enrejado átomos con altos estados de oxidación, los cuales son reducidos hasta su estado elemental permitiendo así la incorporación de una gran cantidad de iones litio en el sistema. Lo anterior implica que este óxido puede ser considerado como electrodo positivo en baterías primarias de litio. Debido a la similitud del comportamiento electroquímico del óxido Bi 14W 2O 27 con otros tungstato del mismo diagrama de fases, se puede establecer que es la química de los elementos presentes en este compuesto la que gobierna su comportamiento en la reacción electroquímica. Fig. 6. Curvas de relajación de cada uno de los mínimos de reducción presentes en el diagrama de I(E). CONCLUSIONES En el estudio de la reacción electroquímica de litio en el tungstato de bismuto Bi14W2O27 se determinó que la descarga de la celda se lleva a cabo a través de tres zonas de transición de fase de primer orden y cuatro Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 REFERENCIAS 1. H. W. Newkirk, P. Quadflieg, J. Liebertz, A. Kockel, Growth, Crystallography, and Dielectric Properties of Bismuth Tungstate (Bi 2WO 6), Ferroelectrics 4 (1972) 51. 2. S. Yu. Stefanovich, Yu. N. 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Mater. 13, (2001) 500. 19. S Patoux, C. Masquelier, Chemical and Electrochemical Insertion of Lithium into Two Allotropic Varieties of NbPO5, Chem. Mater. 14 (2002) 2334-2341. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Suspensiones de BaTiO3 para la fabricación de cintas dieléctricas para capacitores Román Jabir Nava QuinteroA,C, Sophie Guillemet-FritschC, Juan Antonio Aguilar GaribA,B, Martín Edgar Reyes MeloA,B, Bernard DurandC FIME-UANL, México CIIDIT, UANL, México C Université Paul Sabatier, Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux, Francia romain.nava@gmail.com , guillemet@chimie.ups-tlse.fr , juan.aguilargb@uanl.edu.mx , mreyes@gama.fime.uanl.mx , bdurand@chimie.ups-tlse.fr A B RESUMEN Una de las técnicas más populares para la fabricación de capacitores multicapa (MLCC en inglés) es el vaciado en cinta, el cual requiere la preparación de una suspensión acuosa o no acuosa. Hay poca información disponible en la literatura en referencia sobre comparaciones directas de sistemas acuosos y no acuosos utilizando suspensiones de BaTiO3 para cintas dieléctricas de menos de 3.5 μm de espesor. Por lo tanto en este trabajo se consideran ambos tipos de suspensiones con el propósito de sopesar los diferentes factores que influyen en la viscosidad de la suspensión y el espesor de la cinta cerámica. Se encontró que la adhesión sustrato-cinta juega un papel importante sobre el adelgazamiento en composiciones basadas en agua. La viscosidad de la suspensión está definida por el tipo de dispersante en sistemas acuosos y del ligante en los no acuosos. PALABRAS CLAVE BaTiO3, suspensión, cinta, espesor, viscosidad. ABSTRACT One of the most popular techniques on the fabrication of multilayer ceramic capacitor (MLCC) is tape casting, which requires the preparation of a slip that could be either aqueous or non aqueous. Information available in literature on a direct comparison of aqueous and non-aqueous systems using BaTiO3 slip for dielectric tapes below 3.5 μm is limited. Therefore, aqueous or non aqueous systems were considered in this work aimed to weight the different factors on the slip viscosity and ceramic tape thickness this was established for both slips formulations. It was found that adhesion tape-substrate plays an important roll over the thinning of water-based formulations. The slip viscosity is defined by the dispersant type on aqueous systems and the binder on non aqueous systems. KEYWORDS BaTiO3, slip, tape, thickness, viscosity. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 57 �Suspensiones de BaTiO3 para la fabricación de cintas dieléctricas para capacitores / Román Jabir Nava Quintero, et al. INTRODUCCIÓN La miniaturización de dispositivos electrónicos modernos involucra un incremento en la eficiencia volumétrica de sus componentes internos tales como los capacitores multicapas (MLCC en inglés) que se emplean ampliamente en aparatos portátiles. La reducción del espesor de la cinta cerámica es importante para los MLCC dado que su eficiencia volumétrica aumenta inversamente al cuadrado del espesor de la cinta. La producción industrial de cinta cerámica se lleva a cabo principalmente mediante un proceso de vaciado conocido como “tape casting”, el cual consiste en vaciar una suspensión sobre un sustrato. Hay diferentes arreglos y es un proceso confiable para obtener cintas en verde de 1.6 a 2.8 μm de espesor en sistemas no acuosos,1,2 y hay reportes que mencionan, sin dar mayores detalles, la producción industrial de capas cerámicas de 1 μm utilizando este método. Cho3 recomienda el uso de suspensiones de viscosidad menor de 100 cPs para lograr espesores de cinta en el rango de 0.5 a 1.0 μm. Adicionalmente, la mayoría de las publicaciones consideran la obtención de suspensiones metaestables, pero aparte de las referencias mencionadas no se encontró más información sobre la fabricación de cintas ultradelgadas. El objetivo de este trabajo es sopesar los diferentes factores que afectan el espesor de la cinta obtenida a partir de suspensiones metaestables en base a sistemas acuosos y no acuosos, considerando a la viscosidad como la más relacionada con el espesor y la homogeneidad de la cinta. Se siguió un diseño de experimentos de un factor a la vez. La hipótesis es que la baja viscosidad de las suspensiones de BaTiO3 es adecuada para vaciar cintas más delgadas, dado que esta propiedad es una medida de la fuerza de conformación propia del esfuerzo cortante aplicado. Se espera que si la fuerza es suficientemente baja la suspensión fluya en cinta delgada. Esta hipótesis que parece ser muy simple, porque la afirmación podría hacerse intuitivamente, pero se debe tener presente que la viscosidad es una propiedad compleja que considera además del componente viscoso, un componente elástico que se opone a este formado y cuyo efecto no se puede apreciar intuitivamente, además de que solamente los fluidos Newtonianos tienen un valor de viscosidad constante que no depende de la velocidad de deformación. 58 EXPERIMENTACIÓN Se supone que la viscosidad de la suspensión es el factor más importante en el espesor de la cinta cerámica producida. Las variables que afectan la viscosidad fueron seleccionadas de los resultados de investigadores que trabajaron en sistemas similares, como Yoon y Sakabe,1,4,5 buscando la variable con la mayor influencia sobre la viscosidad. Los materiales utilizados que se muestran en la tabla I se describen a continuación. Polvo de BaTiO 3 de HPBT (Fuji, Japan) sintetizado a partir de oxalatos con tamaño promedio de partícula (D[1,0]) de 0.65 μm, una superficie específica de 3.17 m2/g y 2.5 % de pérdida en peso en aire de 25 - 1000 °C. Polvo de BaTiO3 de BT-01 (Sakai Chemical, Japan) preparado mediante síntesis hidrotermal con un tamaño promedio de partícula (D [1, 0]) de 0.15 μm, una superficie específica de 13.0 m2/g y 2.5 % de pérdida en peso en aire de 25 - 1000 °C. Resina de polivinil butiral comercial (PVB), BM-S y BL-S (Sekisui, Japan) de diferentes pesos moleculares para los sistemas no acuosos. Se mezclaron 21 g de PVB en una solución 60/40 (en Tabla I. Materiales utilizados. Condición de control Condición modificada Sistema no acuoso Peso molecular del BM-S - 53,000; BL-S - 23,000; ligante Tg=60˚C Tg=61˚C Relación solvente/ 5:1 3:1 resina Tamaño del polvo HPBT - D50 = 0.65 BT-01 - D50 = D[1,0] μm 0.15 μm Área específica: Área específica: 3.17 m2/g 13.0 m2/g Plastificante Dioctil ftalato Dioctil ftalato Sistema acuoso y ligante acrílico soluble Sal de amonia de Cerampilot Tipo de ácido poliacrílico - Alquil éter dispersante (APA) fosfato (AEP) Relación H2O/resina 2.38:1 6:1 Cantidad de 10.6 13.7 ligante (% en peso) HPBT - D50 = 0.65 BT-01- D50 = Tamaño de polvo μm 0.15 μm Área específica: Área específica: 3.17 m2/g 13.0 m2/g Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Suspensiones de BaTiO3 para la fabricación de cintas dieléctricas para capacitores / Román Jabir Nava Quintero, et al. peso) de tolueno/etanol para preparar el ligante, y después se agregó 25 % (en peso con respecto a la resina) de dioctil ftalato como plastificante. La mezcla fue agitada durante 2 h a 75 rpm a temperatura ambiente. La relación solvente/resina se fijó a 5/1 ó 3/1. Una emulsión acrílica Hycar 26799 (Lubrizol Adv. Mats. Inc., USA) con 46% de sólidos fue utilizada como fase ligante para el sistema acuoso. Se utilizó agua destilada con una resistividad de 17 MΩ (25 ˚C) para las suspensiones acuosas. Se agregó a la suspensión una sal de amonio de ácido poliacrílico (APA) como dispersante y luego se le dispersó en un molino planetario de bolas durante 2 h a 100 rpm. La emulsión fue agregada hasta el final para de mantener su estabilidad, y luego el pH fue mantenido entre 810. Las suspensiones fueron roladas en recipientes de polietileno durante 20 h, luego se les determinó la viscosidad y posteriormente se vació la cinta. Para la preparación de todas las suspensiones no acuosas se utilizó una solución 60/40 (en peso) de tolueno/etanol (Sigma Chemicals, USA). Se utilizó un surfactante M1201 (Ferro Electronics, USA) y un plastificante DOP (Ashland Chemical, USA). Todas las suspensiones con el polvo fueron dispersadas en un molino planetario de bolas durante 3.5 h a 100 rpm y luego durante 24 h con bolas de alúmina, igualmente la viscosidad de la suspensión fue determinada después de este proceso. La viscosidad fue medida en los dos tipos de suspensiones, acuosas y no acuosas, con un viscosímetro Brookfield DVE (Middlesboro, USA) con un adaptador de espiga SC14 y SC21 a temperatura constante de 21.5 ˚C. La medición se da con una velocidad de corte (γ) de 0.28 – 93 s-1. Las cintas fueron vaciadas sobre un sustrato de PET con un aplicador automático (HiFi Film, UK). La velocidad de vaciado fue de 300 m/s, y las cintas se secaron en un módulo de extracción a 12.92 m/s para los sistemas no acuosos y con la ayuda de aire caliente en los sistemas acuosos. El claro de la hoja fue puesto a 2.5 μm lo cual corresponde al espesor objetivo. Se recortaron tiras del centro de la cinta para medir su espesor mediante microscopía electrónica de barrido. La tabla II presenta las corridas experimentales para los dos sistemas seleccionados. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Una correlación entre el espesor de la cinta cerámica con la viscosidad de la suspensión no acuosa a una velocidad de corte de 0.29 – 93 s-1 se muestra en la figura 1. Las composiciones S4 y S5 se grafican en dispersión porque presentan comportamiento pseudoplástico como se muestra en la figura 2. El resto puede graficarse como puntos porque tienen comportamiento Newtoniano. Se puede observar que la composición S2 cumple con el espesor objetivo, lo que significa que el cambio de peso molecular del PVB es el factor principal en la reducción de la viscosidad y en consecuencia del espesor de la cinta cerámica. Este resultado sugiere Tabla II. Corridas experimentales de los dos sistemas seleccionados. Corrida Muestra Ligante Sistemas no acuosos y ligante 1 S1 BM-S 2 S2 BL-S 3 S3 BM-S 4 S4 BM-S 5 S5 BL-S Sistemas acuosos y ligante 1 H1 2 H2 3 H3 4 H4 5 H5 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 Dispersante Factor Relación solvente/ Relación Cantidad de ligante resina agua/resina (% en peso) 5:1 5:1 3:1 5:1 3:1 APA AEP APA APA APA Polvo HPBT HPBT HPBT BT-01 BT-01 2.38:1 2.38:1 6:1 2.38:1 2.38:1 13.7 13.7 13.7 13.7 10.6 13.7 HPBT HPBT HPBT HPBT HPBT BT-01 59 �Suspensiones de BaTiO3 para la fabricación de cintas dieléctricas para capacitores / Román Jabir Nava Quintero, et al. Fig. 1. Relación viscosidad – espesor para las suspensiones no acuosas. funcionan como un sistema de esfera dura con lo que fluye fácilmente ante el esfuerzo cortante. Las composiciones con polvo BT-01 (S4 y S5), presentan aglomeración severa que detiene el proceso de dispersión. Este resultado sugiere que las interacciones partícula – partícula son más fuertes que aquellas dadas por el medio semipolar y el dispersante como para crear barreras electroestéricas. Este enlace físico partícula–partícula debido a fuerzas de Van der Waals podría ser mejorado por el alto contenido de OH- y que es característico del proceso de síntesis hidrotermal. La viscosidad es una manifestación de la resistencia al flujo del fluido debido a fuerzas internas a temperatura contante, entonces cuando éstas se reducen el espesor se reduce para las pruebas basadas en solvente no acuoso. Para los sistemas acuosos la figura 3 muestra la relación entre el espesor y la viscosidad tal como se llevó a cabo con el sistema de la figura 1. En comparación con el solvente no acuoso se observa que la emulsión acuosa tiene una viscosidad menor, aun por debajo de los 100 mPa•s y no necesariamente se obtiene el menor espesor de cinta, sugiriendo que la alta polaridad del medio tiene un impacto en el arreglo a nivel molecular debido al dipolo característico de las moléculas de agua, aun cuando Fig. 2. Viscosidad aparente de las diferentes suspensiones no acuosas. que conforme son más cortas las cadenas del PVB se facilita la deformación del fluido, también el comportamiento Newtoniano corresponde a que las interacciones se encuentran debajo del rango de sensibilidad de la prueba y macroscópicamente 60 Fig. 3. Relación viscosidad-espesor para las suspensiones acuosas. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Suspensiones de BaTiO3 para la fabricación de cintas dieléctricas para capacitores / Román Jabir Nava Quintero, et al. se dan las menores fuerzas de interacción entre las especies, sobre todo entre las partículas de BaTiO3. La composición H2 presenta el espesor y la viscosidad más bajas que corresponden a una mejora del cambio de dispersante. La parte hidrofílica de las moléculas del dispersante serían la diferencia, lo que sugiere una mayor contribución estérica de las cadenas de álcali que mejoran el flujo más que el mecanismo electroestérico dado por el APA. El incremento en la cantidad de agua, como en H3, reduce la viscosidad y el espesor en comparación con H1. El comportamiento pseudoplástico puede ser el responsable dado que se reduce conforme la velocidad de corte se aproxima a 100 s-1 que corresponde a los valores típicos utilizados en el vaciado de cinta, aun así es pseudoplástico. Esto sobresale en H4 donde se aprecia que menos ligante no tiene efecto en una menor viscosidad en comparación a los sistemas no acuosos en donde el efecto es más fuerte con respecto a las características durante el corte. La composición H5 presenta el mayor espesor y viscosidad con un comportamiento pseudoplástico. La cinta no muestra agregados de la misma forma que se observa en el caso de los sistemas no acuosos debido a la alta polarizabilidad del medio. En otro sentido, la pseudoplasticidad indica que la estructura está cambiando durante la aplicación del esfuerzo, una condición que puede ser asociada al cambio del grado de floculación durante el corte. Fig. 4. Suspensiones no acuosas aplicadas a 300 mm/s, a) S2, b) S4. Fig. 5. suspensiones acuosas aplicadas a 300 mm/s, a) H2, b) H4. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 61 �Suspensiones de BaTiO3 para la fabricación de cintas dieléctricas para capacitores / Román Jabir Nava Quintero, et al. Los sistemas acuosos tienen mayor efecto del medio polar sobre el ligante y la viscosidad, y es el factor con el mayor impacto sobre la viscosidad y el espesor de la cinta. Por otra parte, en un sistema no acuoso la viscosidad está dada por el ligante y el tamaño del polvo se vuelve muy importante sobre la homogeneidad de la cinta. Una comparación entre las cintas obtenidas en los sistemas no acuosas se puede apreciar en la figura 4 en donde se muestra la mejor composición (S2) en a) mientras que la composición que muestra aglomerados (S4) se presenta en b). Con respecto a las cintas obtenidas a partir de la suspensión acuosa, la figura 5 muestra que éstas son más homogéneas en espesor. Sin embargo el BaTiO3 es inestable en agua y se debe observar que hay condiciones en las que se da disolución de Ba+2, 5,6 lo cual afecta seriamente las propiedades del dieléctrico. Otro aspecto que se debe considerar es que las suspensiones acuosas tienen mayor adherencia sobre el sustrato de polietileno y es más difícil retirarlas mediante estirado, por lo que las propiedades mecánicas de la cinta también deben tomarse en cuenta en este caso. CONCLUSIONES En base a los resultados obtenidos se concluye que en efecto se consiguen cintas más delgadas a partir de suspensiones de baja viscosidad, por lo que es importante considerar las condiciones que la afectan. Los factores que reducen la viscosidad son el tipo de dispersante en las suspensiones acuosas y el peso molecular del PVB en las no acuosas. La dispersión del polvo es mejor en un medio completamente polar, pero el problema de adhesión es importante porque se requiere que la cinta tenga la resistencia mecánica necesaria para ser retirada del sustrato mediante estirado. En el caso de la suspensiones no acuosas se necesita un dispersante para el polvo de BaTiO3 con D[1, 0]= 100 nm. En contra de las suspensiones acuosas se tiene que la disolución del bario por el agua en el TiBaO3 cambia la relación Ba/Ti que es muy importante en las propiedades dieléctricas de la cinta. A pesar del comportamiento Newtoniano de las suspensiones acuosas, los factores negativos mencionados, hacen que sea más conveniente trabajar en la optimización de las suspensiones no acuosas. 62 AGRADECIMIENTOS Este trabajo se encuentra del marco del proyecto PCP 11/07 (Programa de Colaboración de Posgrado) que involucra a la Universidad Autónoma de Nuevo León, particularmente a la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, a la Universidad Paul Sabatier, en particular al Instituto Carnot CIRIMAT, a Kemet de México y a Marion Technologies en Francia. Se agradece el apoyo del MC. Leonel Montelongo Concha de Kemet de México y del Dr. Joseph Sarrías de Marion Technologies. También se reconoce la colaboración de Jean-Jaques Demai (CIRIMAT), Celine Combettes y el Dr. Zarel Valdez Nava. REFERENCIAS 1. Y. Sakabe, N. Wada, J. Ikeda, Y. Hamaji, Ceramics for Ultra-thin Dielectric Layer of Multileyer Ceramic Capacitors, IEEE, Proceedings of the Eleventh International Symposium on Application of ferroelectrics, 1998, 565-569. 2. L.W. Chu, K.N. Prakash, M.T. Tsai, I.N. Lin, Dispersion of nano-sized BaTiO 3 powders in nonaqueous suspension with phosphate ester and their applications for MLCC, J. Eur. Ceram. Soc., 28, 2008, 1205-1212. 3. C.W. Cho, J.G. Yeo, Y.G. Jung, U. Paik, Green microstructure and mechanical properties of BaTiO3-poly(vinyl butyral) tape-cast bodies, J. of Mat. Sci. Lett., 22, 2003, 1639-1641. 4. D.H. Yoon, B.I. Lee, Processing of barium titanate tapes with different binders for MLCC applications - Part II: Comparison of the properties, J. Eur. Ceram. Soc., 24, 2004, 753-761. 5. D.H. Yoon, B.I. Lee, Processing of barium titanate tapes with different binders for MLCC applications - Part I: Optimization using design of experiments, J. Eur. Ceram. Soc., 24, 2004, 739-752. 6. J.H. Jean, H.R. Wang, Stabilization of aqueous BaTiO3 suspensions with ammonium salt of poly (acrylic acid) at various pH values, J. Mater. Res., 13, 1998, 2245-2250. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier Miguel Ángel Platas Garza, José Antonio de la O Serna Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL miguel.platas@gmail.com , jdelao@ieee.org RESUMEN Se presenta un nuevo estimador de armónicas dinámicas mediante una extensión de la Transformada rápida de Fourier (FFT), denominada Transformada TaylorFourier (TFT), la que se basa en la expansión en series de McLaurin de cada envolvente compleja. La TFT es capaz de estimar mejor las armónicas variantes en el tiempo dentro de la ventana temporal de observación, además, los coeficientes de la TFT tienen significado físico, pues representan muestras instantáneas de las primeras derivadas de la envolvente compleja: posición, velocidad, aceleración, etc. tanto de la amplitud como de la fase, y se obtienen de un golpe por una transformación lineal. El estimador Taylor-Fourier puede concebirse como un banco de filtros máximamente lisos de respuesta impulsional finita (FIR). Además de obtener estimaciones fasoriales más nítidas bajo condiciones dinámicas, también estima la frecuencia instantánea del sistema y las primeras derivadas de cada armónica, tan útiles para detectar la inestabilidad del sistema. Dos ejemplos reales permiten evaluar el rendimiento del nuevo estimador propuesto. PALABRAS CLAVE Estimación armónica, estimación fasorial, transformada de Fourier, diferenciadores digitales, filtros máximamente lisos, envolvente compleja, ajuste espectral, interpolación. Traducido de la versión original: M.A. Platas-Garza y J. A. de la O, “Dynamic Harmonic Analysis through Taylor-Fourier Transform”, IEEE Transaction on instrumentation and measurement, Vol. 60, No. 3, pp. 804-813, marzo 2011. Publicado con el permiso de la IEEE Instrumentation and Measurement Society. ABSTRACT A new dynamic harmonic estimator is presented as an extension of the Fast Fourier Transform (FFT) named Taylor-Fourier Transform (TFT) since it is based on the McLaurin series expansion of each complex envelope. This estimator is able to produce a better estimated of harmonics that are time varying inside the observation window, and the coefficients of the TFT have physical meaning: they represent instantaneous samples of the first derivatives of the complex envelope, all of them calculated at once through a linear transform. The Taylor-Fourier estimator can be seen as a bank of maximally flat FIR filters. In addition to cleaner harmonic phasor estimates under dynamic conditions, also estimates the instantaneous frequency and first derivatives of each harmonic. Two examples are presented to evaluate the performance of the proposed estimator. KEYWORDS Harmonic estimation, phasor estimation, Fourier transform, digital differentiators, maximally flat filters, complex envelope, spectral fit, interpolation. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 63 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier / Miguel Ángel Platas Garza, et al. INTRODUCCIÓN La estimación armónica es muy importante en muchas áreas de la ingeniería, algunos ejemplos de sus aplicaciones se muestran en1,2,3. Las técnicas de estimación armónica asumen que la señal analizada es periódica, lo que implica frecuencia fundamental y coeficientes de Fourier constantes (en amplitud y fase) en la ventana temporal de observación. Hacen uso de la trasformada de Fourier de tiempo discreto (DFT) para estimar los coeficientes de Fourier, que ofrece la mejor aproximación del modelo de señal periódica a la señal analizada. De hecho, ofreciendo una base completa para señales periódicas,4 la DFT, o en su versión rápida, la FFT, es una excelente técnica para estimar armónicos estáticos. Pero, es bien sabido que en la práctica, en muchas aplicaciones, las señales no cumplen con la supuesta periodicidad. Y en particular, la DFT no es adecuada para la estimación de armónicas dinámicas, es decir, armónicas que contienen fluctuaciones dentro de la ventana temporal de observación. Cuando éstas suceden, lo mejor que puede hacer la DFT es estimarlas por su mejor promedio constante durante toda la ventana de observación, truncando las fluctuaciones que se desea capturar, de manera semejante a la foto tomada a un objeto en movimiento, cuya imagen sale borrosa debido a que su elaboración supone una imagen estática. Hay principalmente dos anomalías reportadas ampliamente en la literatura: las fugas espectrales y la interferencia interarmónica.5 La primera se refiere a los errores que se producen cuando la frecuencia fundamental de la señal periódica fluctúa; la segunda, alude a los errores debidos a la superposición de componentes armónicos ensanchados. Sin embargo, ambas anomalías se explican teniendo en mente el paradigma DFT:6 en el primer caso, se supone que la frecuencia cambia de un ciclo al siguiente, pero permaneciendo constante en cada uno de ellos; en el segundo, se supone que el filtro de Fourier de cada armónica es ortogonal al lóbulo principal de cualesquiera de las otras, pero de nuevo, esto es solamente válido bajo la suposición estática de la DFT. Ambas anomalías son inherentes a las pobres propiedades espectrales de la DFT. Muchas soluciones paliativas a estos problemas se han propuesto en la literatura, ver por ejemplo:7-14 64 Otro problema bien conocido de la FFT fue señalado por los pioneros de la teoría de onduletas: su falta de resolución tiempo-frecuencia. La transformada corta de Fourier (STFT)15-16 trató de resolverlo, pero todavía presenta una resolución constante tiempo-frecuencia. Entonces se propusieron las transformadas onduleta (WT),17-18 para mejorar la resolución en el plano tiempo-frecuencia, ofreciendo una buena compresión en la codificación de la señal. El principal problema de las transformadas onduleta es la falta de significado físico de sus coeficientes. Es por eso que su uso quedó limitado a la pura compresión del código de la señal. Otro problema de las WT es que en general no garantizan un error de reconstrucción inferior al de la FFT. Aunque las técnicas mostradas aquí puedan aplicarse en cualquier área de la ingeniería, concentraremos nuestra atención en estimación de armónicos en sistemas de potencia bajo oscilaciones. La contaminación armónica en la red se ha convertido en un serio problema con la proliferación de cargas no lineales de dispositivos electrónicos, produciendo efectos nocivos. Además, en la última década, con el aumento de intercambios de potencia a través de las redes de área amplia (WANS), las oscilaciones han proliferado en los sistemas de potencia. Debido a la presencia de sistemas no lineales en las WANS, es obvio que dicha condición oscilatoria se propague a todas las armónicas presentes en la red. Como las oscilaciones anuncian el probable colapso de la red, las armónicas deben de monitorearse con la máxima precisión posible. Se han propuesto un gran número de algoritmos para estimar las armónicas en un sistema de potencia, el más usado es la FFT. 19 Algunos algoritmos recientes usan aproximaciones recursivas para estimar las armónicas, ver por ejemplo.20 y 21 En 21 se presenta un filtro adaptivo para extraer las componentes armónicas usando retroalimentación de frecuencia para adaptar los parámetros del filtro. Pero este método usa respuestas en frecuencia no planas, las cuales no son adecuadas para la estimación de las armónicas dinámicas; tiene retrasos entre sus etapas; y no es válido para aplicaciones en tiempo real. La principal idea de este artículo, cuya versión en inglés ya está disponible electrónicamente en 22, consiste en relajar la restricción constante impuesta Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier / Miguel Ángel Platas Garza, et al. en el modelo de señal a los coeficientes de Fourier. Cada armónica puede ser ahora modulada por una función temporal suave, definida por un polinomio de Taylor de un orden dado mayor a cero. Este modelo expandido conduce a una mejora importante del análisis de Fourier mediante la dilatación del espacio vectorial de la DFT. De esta manera, los coeficientes de la transformada Taylor-Fourier (TFT) incluirán, además de los valores instantáneos de la fluctuación armónica, sus primeras derivadas, como en cualquier aproximación de Taylor. Entonces el subespacio expandido de la TFT será igual o mayor que el subespacio generado por la transformada de Fourier (FT). Y en consecuencia, el error de aproximación de la TFT será siempre menor o igual al de la FT. Además, la estimación de los coeficientes TFT de orden cero mejorarán siempre los de la FT, debido a que la TFT rechaza las derivadas de las fluctuaciones armónicas que se infiltran en los de la FT. Una objeción podría suscitarse aquí. Es el hecho de que los términos de Taylor no sean ortogonales entre sí, y que por lo tanto la base vectorial de la TFT sea oblicua. Esta objeción se resuelve afirmando que la ortogonalidad no es del todo una condición para la existencia de la solución de la aproximación por mínimos cuadrados. La condición necesaria es que los vectores de la base sean linealmente independientes, la cual se cumple en bases oblicuas. Además, las ecuaciones normales de la solución de mínimos cuadrados garantiza que los filtros resultantes tengan respuestas en frecuencia máximamente lisas23 junto a las frecuencias armónicas. Esto quiere decir que en cada armónica, sus ganancias complejas correspondan a la de los diferenciadores ideales Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 tomados en cuenta; con ganancia nula, también máximamente lisa, en las armónicas restantes. La principal contribución de este artículo es aportar una nueva transformada digital, la transformada Taylor-Fourier. Ésta provee un banco de filtros FIR mejorado para la estimación de armónicas dinámicas. Los nuevos filtros en cada armónica no solamente tienen ganancias lisas de diferenciación más amplias (lo que elimina las distorsiones de amplitud y fase), sino que también rechazan la interferencia interarmónica, con ganancias lisas nulas junto a las armónicas restantes. Además de mejorar los coeficientes de Fourier, la nueva transformación estima los coeficientes de Taylor, correspondientes a las primeras derivadas de las envolventes complejas de cada armónica. El artículo está organizado de la siguiente manera: En la siguiente sección se describe el modelo de señal en el caso continuo y discreto. Enseguida se caracterizan las respuestas en frecuencia de los filtros FIR del banco. Finalmente se presentan dos ejemplos, uno teórico y otro real, tomado de una red eléctrica europea, para ilustrar y cuantificar la mejora de las estimaciones. En las últimas dos secciones se dan las principales conclusiones y limitaciones de la nueva transformación. MODELO DE SEÑAL Sea L2(R) un espacio de Hilbert, el cual contiene todas las funciones complejas cuadráticamente integrables, y sea x(t) ∈ L 2 (R) una señal no necesariamente periódica, la cual, en presencia de armónicas, describe el comportamiento de un sistema de potencia bajo condiciones de oscilación H x(t)= ∑ α h (t)cos(2 πhf1t + ϕh (t )) (1) h =0 o equivalentemente por: x(t ) = H ∑ c (t )e h =− H h j 2 πhf1t (2) donde f 1 representa la frecuencia fundamental (típicamente 60 o 50 Hz), H el número máximo de armónicas incluidas en el modelo, ah (t ) y ϕh (t ) la variación de amplitud y fase de la h-ésima armónica (dinámica). De manera sintética, ch (t ) = ah (t )e jϕh ( t ) se define como la envolvente compleja de cada armónica h. Nuestra principal suposición es que 65 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier / Miguel Ángel Platas Garza, et al. ch (t ) es de banda limitada por ρ, con ρ f1 . Note que si ρ → 0 entonces ch (t ) → ch , con ch un número complejo para cada h, y entonces (2) se reduce a la fórmula de síntesis clásica de Fourier x p (t ) = H ∑ h =− H ch e j 2 πhf1t (3) siendo xp(t) una señal periódica. Las señales eléctricas de un sistema de potencia en estado estable pueden representarse por xp(t), con armónicas ch. Bajo esta condición el análisis de Fourier es adecuado. Pero cuando el sistema está oscilando, aparecen variaciones temporales de amplitud y fase (típicamente inferiores a 5 Hz) de manera que la periodicidad de la señal se pierde, entonces xp(t) deja de de ser un modelo apropiado, y la estimación armónica usando FT será pobre. En este caso, nuestro modelo expandido (1)-(2) es más adecuado, debido a que permite cambios dinámicos lentos en las armónicas dentro de la ventana de observación. Con lo que las armónicas dinámicas se pueden definir como un conjunto de señales pasabanda con frecuencias centrales equiespaciadas por múltiplos de la frecuencia fundamental. La oscilación ensancha pues las tradicionales líneas espectrales de las armónicas en estado estable, convirtiéndolas en densidades espectrales angostas junto a cada frecuencia armónica. A. Caso Continuo Nuestro problema consiste en encontrar buenas estimaciones de ch(t), usando mediciones de x(t) dentro de una ventana de observación t ∈ [−Δ, Δ ]. Para lograr este objetivo, se propone una base para generar un subespacio S ⊂ L2 (R ) , con el conjunto de los vectores linealmente independientes: t ∈ [−Δ, Δ ] ψ (k ,h ) (t ) = t k e − j 2 πhf1t , k = 0,1,, K (4) h = − H ,, H representando versiones moduladas de potencias enteras de t (i.e. formando una serie de Taylor de orden K junto a cada armónica). Cualquier señal x(t ) que se encuentre en S puede expresarse como una combinación lineal de los elementos de la base: x(t) = k H ∑∑ k=0 h=-H 66 k -j2 πhf1t σ(k,h)t e . (5) Se desea encontrar la mejor aproximación xˆ (t ) en S a x(t) en el sentido de mínimos cuadrados. Ésta es dada por: K xˆ (t ) = ∑ H ∑ σˆ k = 0 h =− H ( k ,h ) t k e − j 2 πhf1t , (6) donde los coeficientes óptimos son dados por def. 2.2, p.19 de la referencia18 σˆ ( k ,h ) = 〈ψ ( k ,h ) (t ), x(t ) 〉 , (7) donde 〈⋅, ⋅〉 representa el producto punto en L2 (R ) , y ψ ( k ,h ) (t ) representa los elementos de la base dual dadas en la sect. 2.2.4, p.25 de la referencia.18 La existencia de estos elementos está garantizada por la independencia lineal de los elementos de la base. Los elementos de la base dual ψ ( k ,h ) (t ) pueden verse como los elementos que garantizan la restricción de biortogonalidad: 〈ψ ( k ,h ) (t ), ψ ( ,m ) (t )〉 = 1 k = ,h = m 0 otro caso, t ∈[−Δ, Δ] (8) k , = 0,1,..., K h, m = − H ,..., H Note de (4) que el análisis de Fourier usa un subconjunto ortogonal (con K=0) de los elementos de nuestra base, que representan correctamente sólo las señales periódicas en estado estable. Entonces, el estimado de Fourier xˆ F (t ) es la mejor aproximación periódica a x(t). Al incluir términos de Taylor no considerados en la base de Fourier, se logra una mejor aproximación a x(t), es decir: { x(t ) − xˆ (t ) ≤ x(t ) − xˆF (t ) (9) con ⋅ representando la norma L2. Note que en (9) la igualdad cumple sólo para señales periódicas x(t). B. Implementación Discreta Lo anterior cumple para el caso continuo. En el caso discreto, los elementos de la base son una versión muestreada uniformemente de (4) con N muestras. Un número impar de muestras asegura una muestra en el centro de la ventana de observación, donde el error de Taylor es nulo. En el caso discreto la ecuación de síntesis puede verse como la versión muestreada de (6): k xˆ (n) = ∑ H ∑ k = 0 h =− H θˆ ( k ,h )Tsk n k e − j 2 πhf1nTs (10) donde Ts es el período de muestreo. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier / Miguel Ángel Platas Garza, et al. Note que (10) puede ser también representada como una transformación lineal: xˆ = Bθˆ (11) ( K +1)(2 H +1) ˆ con θ∈ C un vector columna conteniendo los coeficientes óptimos θ̂( k ,h ) , B ∈ C N ×( K +1)(2 H +1) una matriz conteniendo en cada columna N muestras de cada elemento de la base discreta ψ ( k ,h ) (n) , y finalmente xˆ ∈ R N un vector columna con N muestras de la señal estimada. Por otra parte, como en (7), la ecuación de análisis depende de la base dual [24, p. 47]: (12) θˆ = 〈ψ (n), x(n)〉 , ( k ,h ) ( k ,h ) donde 〈⋅, ⋅〉 representa el producto punto discreto. Este conjunto de ecuaciones son dadas por las ecuaciones normales de la aproximación por mínimos cuadrados: θˆ = ( B H B) −1 B H x, (13) donde H denota la transpuesta hermitiana, y ( B H B ) −1 B H = B † es la matriz pseudoinversa. Comparando (12) y (13) note que los renglones de la pseudoinversa B † contienen los elementos de la base dual. El caso discreto se puede implementar calculando la matriz pseudoinversa de B, la cual está formada por N muestras de cada vector de la base. Note que dependen únicamente de la frecuencia fundamental f1. Para obtener la matriz pseudoinversa debemos tener un sistema sobredeterminado de ecuaciones, por lo que la cantidad de muestras en la ventana de observación deberá cumplir: (14) N ≥ (2 H + 1)( K + 1) esta condición nos da la mínima longitud posible de los filtros FIR que pueden usarse utilizando esta metodología. C. Interpretación de los coeficientes Un hecho importante de la transformación biortogonal presentada en la sección anterior es el significado físico de sus coeficientes. La Eq. (5) puede verse como una suma modulada de series de McLaurin, entonces el coeficiente σˆ ( k ,h ) representa la k-ésima derivada de la h-ésima armónica ch (t ) . En el caso continuo se tiene: 1 d k ch (t ) (15) σˆ ( k ,h ) = k ! dt k t =0 y, en el caso discreto1: Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 T k d k ch (t ) . θˆ ( k ,h ) = s k ! dt k t =0 (16) Si la señal de entrada x(n) está en el subespacio generado por el modelo de señal Taylor-Fourier, el error de aproximación será nulo, y las Eqs. (13) y (11), en este caso sin sombreros, son las ecuaciones de análisis y síntesis de la transformada digital Taylor-Fourier. En la próxima sección, veremos que, cuando la señal está fuera del subespacio, el error de las aproximaciones en (16) dependerá del contenido frecuencial de cada armónica dinámica. Esto es porque la respuesta en frecuencia del banco de filtros estimadores está compuesto de ganancias máximamente lisas de diferenciadores ideales junto a cada armónica. BANCO DE FILTROS Nuestro estimador está formado por un banco de (K+1) filtros FIR en cada armónica, cuyas respuestas impulsionales son las versiones reflejadas en el tiempo de los elementos de la base dual correspondientes a dicha armónica. (17) h( k ,h ) (t ) = ψ ( k ,h ) (−t ) donde h( k ,h ) (t ) denota la k-ésima respuesta impulsional de la amónica h. En consecuencia, las correspondientes respuestas en frecuencia son los conjugados complejos de las transformadas de Fourier de dichos elementos de la base. (18) H ( k ,h ) (ω) = Ψ ( k ,h ) (−ω) Fig. 1. Respuestas en magnitud de los filtros de la TFT con K=2, H=5, y N=48, para los estimados de orden (a) cero (posición), (b) uno (velocidad) y (c) dos (aceleración). 67 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier / Miguel Ángel Platas Garza, et al. Estos filtros tienen propiedades espectrales y simetrías muy interesantes, como puede verse en la figura 1, la cual muestra las respuestas en frecuencia del banco de filtros para K=2, H=5 y N=48 muestras. Las líneas gruesas corresponden a los filtros del estimador de corriente directa (dc) (h=0). Note que los filtros poseen las ganancias de diferenciadores ideales junto a ω=0, y ganancias nulas planas junto a las demás armónicas. Esto indica una perfecta extracción de las derivadas en la frecuencia central, y un rechazo completo a las demás componentes armónicas, cuando su densidad espectral esté contenida dentro de esos intervalos. Note también que cada conjunto de filtros armónicos es una versión modulada del estimador dc. Por tanto, cada banco estimador armónico será un excelente extractor de las primeras derivadas de su propia envolvente compleja, y un rechazador del resto de las armónicas, a condición de que su densidad espectral esté confinada dentro de los intervalos de ganancia lisa, centrados en las frecuencias armónicas. Se podría decir, de manera figurada, que en los estimadores armónicos resuenan las derivadas de la envolvente espectral de cada armónica. Una mejor explicación de estas propiedades puede encontrarse en la demostración del teorema en la siguiente sección. RESPUESTAS MÁXIMAMENTE LISAS Aquí se explica porqué las respuestas frecuenciales de los filtros logran estructuras tan bellas e interesantes. Se inicia demostrando la versión modulada del teorema de momentos25 que emplearemos más tarde. Definición 1: Sean ∞ mk ,ωh = ∫ f (t )t k e − jωht dt (19) −∞ los momentos de la modulación de f(t), F(ω) la transformada de Fourier de f(t), y F(k)(ωh) la k-ésima derivada de F(ω) en ωh, entonces: F ( k ) (ωh ) = (− j ) k mk ,ωh . (20) Como se vio en la figura 1, las respuestas en frecuencia de los filtros del h-ésimo banco tienen las ganancias de los diferenciadores ideales en la frecuencia armónica, y ganancias nulas planas en el resto de las armónicas. Aquí se demuestra que esta propiedad es una consecuencia de la solución de la 68 aproximación por mínimos cuadrados (LS) cuando se usa la base vectorial de la TFT. Teorema: Sea ψ ( k ,h ) (t ) los elementos de la base presentados en (4), ψ ( k ,h ) (t ) los elementos de la base dual, y h( k ,h ) (t ) = ψ ( k ,h ) (−t ) las respuestas impulsionales de los filtros. Sean Ψ ( k ,h ) (ω) , Ψ ( k ,h ) (ω) y H ( k ,h ) (ω) sus transformadas de Fourier respectivamente. Entonces: d k H( , m ) (ω) k dω ω=ωh ⎧1 k = , h = m ⎪ = ⎨0 otro caso, ⎪ ⎩ (21) Prueba: Empezamos usando (4), la condición biortogonal de la solución LS:8 ∞ ∫ (ψ ( , m ) t )t ⎧1 = k , m = h e j 2 πhf1t dt = ⎨ ⎩0 otro caso, k −∞ k , = 0,1, …, K h, m = − H ,…, H (22) Del teorema de momentos de funciones moduladas (ver definición 1), se tiene: d k Ψ (l ,m ) (−ω) k dω ω=ωh ⎧1 l = k , m = h =⎨ ⎩0 otro caso, k , l = 0,1,..., k h, m = − H ,..., H (23) y usando (18), la respuesta en frecuencia del ℓ-ésimo filtro diferenciador de la m-ésima armónica dinámica debe cumplir con: d k H( , m ) (ω) k dω ω=ωh = k, m = h ⎧1 ⎪ = ⎨0 otro caso, ⎪ ⎩ k , = 0,1,…, K h, m = − H ,…, H (24) Estas son las restricciones de máxima suavidad,26-27 que indican que las respuestas en frecuencia de los filtros asociados con cada armónica exhiben ganancias diferenciadoras ideales junto a la frecuencia armónica, y ganancias nulas máximamente lisas en las frecuencias armónicas restantes. Además, la condición (21) declara que la respuesta en frecuencia del k-ésimo diferenciador de la h-ésima armónica debería tener k ceros en la frecuencia armónica (lo que genera la ganancia ideal en la h-ésima armónica), y K+1 ceros en las frecuencias armónicas restantes (que generan Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier / Miguel Ángel Platas Garza, et al. ganancias nulas). Entonces la respuesta en magnitud puede expresarse de la siguiente manera: H ( k , h ) (ω) = (ω − ωh ) k Π (ω − ω ) k +1 ≠h R(ω) (25) donde R(ω) es un polinomio libre. Note que la condición (25) es válida también para el caso FT, en el cual la respuesta en frecuencia del filtro estimador de la h-ésima armónica es dado por la función seno cardenal, el cual cumple con: Fh (ω) = Π (ω − ω ) R(ω) ≠h (26) aun cuando la ganancia en las bandas subarmónicas sea superior a la de los filtros de la FFT. En este caso, la supresión armónica prevalece sobre la amplificación subarmónica. Veremos este tipo de infiltración en los siguientes ejemplos. Además, la ganancia subarmónica puede reducirse en los estimadores de la TFT usando ventanas como ponderaciones del criterio de mínimos cuadrados ponderados (ver apéndice). En la figura 2 se comparan las respuestas en frecuencia de los estimadores dc con la FFT (K=0, H=2, N=15 muestras) y TFT (K=2, H=2, N=15 muestras). Note que debido a (25), los de la FFT tienen un cero en cada frecuencia armónica distinta de cero, mientras que los de la TFT tienen 3 ceros. Por esta razón, los filtros de la TFT serán referidos como filtros barandal, ya que su ganancia nula cubre una banda de frecuencias, en vez de un solo punto en los filtros peine de la FFT. Los filtros armónicos de la TFT no pueden considerarse versiones moduladas de los filtros de estimación fasorial propuestos en.28-29 La inclusión del conjunto completo de vectores en la misma matriz de la base es la que asegura las respuestas nulas planas en cada frecuencia distinta a la de interés. Si la carga espectral está confinada junto a las frecuencias armónicas, las ganancias nulas reducen la infiltración interarmónica predominante, EJEMPLO TEÓRICO El propósito del siguiente ejemplo es mostrar los errores de estimación de los coeficientes armónicos de una señal conocida. Sea ⎛ ∞ ⎞ s (t ) = α(t ) ⎜ ch cos(2πhf1t ) ⎟ (27) ⎝ h =0 ⎠ la señal de entrada del estimador, con f1 = 50 Hz, y coeficientes no nulos (c1 = 1, c3 = .4, y c5 = .2), donde a(t) representa la amplitud de una oscilación, dada por el siguiente polinomio de segundo orden: at 2 + bt + c a (t ) = , (28) d con coeficientes a=1, b=-1000, c=1 y d=2.5×105. La señal digital correspondiente se obtiene muestreándola a 20 muestras por ciclo fundamental 1⁄f1. Se estimaron los coeficientes armónicos con la FFT y la TFT (K=3), ambas de cuatro ciclos. Los resultados Fig. 2. El filtro TFT mejora la respuesta en frecuencia, con tres ceros en las frecuencias armónicas, en vez de únicamente uno de la FFT, el cual corresponde a ganancias del primer diferenciador en las demás frecuencias. Fig. 3. Estimaciones de los coeficientes de Fourier con la FFT. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 ∑ 69 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier / Miguel Ángel Platas Garza, et al. Fig. 4. Estimados de los coeficientes de Fourier con la TFT. se ilustran en las figuras 3 y 4 respectivamente. Note que la FFT produce coeficientes borrosos debido a la infiltración de las componentes dinámicas de la evolución no constante. Las estimaciones más suaves se alcanzan en la mitad, donde la evolución parabólica alcanza las condiciones de estado estable. Además, la FFT produce armónicas fantasma (dc, segunda, cuarta y sexta). Éstas se deben a que las respuesta en frecuencia Seno Cardenal de los filtros de la FFT tienen ganancias lineales junto a las frecuencias armónicas diferentes a la de paso, las cuales corresponden a diferenciadores de las armónicas vecinas. Por lo tanto, en cada estimación de la FFT se infiltra no solamente sus propias componentes no constantes de Taylor (distorsión de amplitud), sino las primeras derivadas de las Fig. 5. Estimaciones de los coeficientes Taylor-Fourier de primer (velocidad) y segundo orden (aceleración). 70 demás armónicas. De hecho, los filtros de la FFT se comportan más bien como colectores de las primeras derivadas de las armónicas vecinas. Las estimaciones de los coeficientes de las armónicas dinámicas (de orden cero) obtenidos con la TFT en la figura 4 son más limpias que los de la FFT. Y esto es válido no solamente para los coeficientes de Fourier (k=0), sino también para los de Taylor, como puede apreciarse en la figura 5, en la cual las derivadas estimadas siguen polinomios puros de primero y segundo orden, como ya se esperaba. Al reconstruir la señal estimada usando las ecuaciones de síntesis de ambos estimados, el error de la aproximación de la TFT es inferior al de la FFT. Esto es porque la TFT usa una expansión de la base de Fourier que abarca la señal dada, y más apropiada para las señales con armónicas dinámicas. Para evaluar el rendimiento global, usamos como función de costo del error la raíz cuadrada del error cuadrático medio normalizado (NRMSE), definido por: 2 sˆ(n) − s (n) n , n∈P NRMSE = (29) 2 ( ) s n n ∑ ∑ Tabla I. Función de costo NRMSE, para los coeficientes de Fourier. Armónica dinámica c1(0)(t) c3(0)(t) c5(0)(t) FT 2.68 × 10-5 1.03 × 10-4 1.78 × 10-4 TFT 2.81 × 10-12 6.71 × 10-12 3.59 × 10-17 Fig. 6. Error de estimación de los coeficientes de orden cero obtenidos con la FT y TFT: (a) c1, (b) c3, y (c) c5. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier / Miguel Ángel Platas Garza, et al. donde P es el conjunto de los estimados almacenados en memoria. La tabla I muestra el NRMSE de los coeficientes de Fourier estimados con ambos estimadores. Los errores de estimación de ambos métodos se ilustran en la figura 6. De esta evidencia, se concluye que la TFT ofrece un mejor estimador que la FFT debido a su mejor separabilidad armónica, que a su vez es consecuencia de su mayor reserva espacial para armónicas dinámicas. Claro que, bajo condiciones de estado estable, cuando esa amplitud espacial agregada para variaciones dinámicas no se utiliza, producen los mismos resultados. Fig. 7. Señal de entrada a los estimadores comparados. RESULTADOS EXPERIMENTALES También se comparan los rendimientos de la TFT y FT usando una señal capturada en un sistema de potencia europeo (f1 = 50 Hz) a veinte muestras por ciclo. Esta señal se ilustra en la figura 7. Para una comparación equitativa, ambos estimadores TFT y FT usarán una ventana rectangular de observación con la longitud mínima estipulada por (14), la cual corresponde a cuatro ciclos. Para la TFT, se escogió K = 3. Las estimaciones armónicas (coeficientes Taylor de cero orden) obtenidas con ambos métodos se muestran en la figura 8, mientras que la figura 9 ilustra las primeras tres derivadas estimadas obtenidas con la TFT. Note que la TFT ofrece más estimaciones. Comparando los estimados armónicos de la FT y TFT de la figura 8, es palpable en la mitad derecha de 8 (a) que las estimaciones de la primera armónica de la FT son más ruidosas que las de la TFT en la figura Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 Fig. 8. Magnitud de las estimaciones armónicas obtenidas con la FT y TFT de cuatro ciclos: Estimados (a) FT impares, (b) TFT impares, (c) FT pares, y (d) TFT pares. 8 (b). Esto se debe a la infiltración de la primera derivada de la tercera y quinta armónica en las estimaciones de la FT. También en el caso FFT, la derivada de la primer armónica (fundamental) se infiltra todo el tiempo a las armónicas vecinas, produciendo estimaciones armónicas fantasma (dc, segunda, tercera, etc. ), como puede apreciarse en las estimaciones de Fourier pares de la figura 8 (c). Note que las estimaciones fantasma más grandes se producen bajo las zonas de más alta velocidad de la oscilación, y las más pequeñas, bajo las zonas de velocidad nula. La infiltración interarmónica en la FT se explicó mejor en la sección anterior. Por otra parte, note que la TFT ofrece estimados más limpios sin distorsión o interferencia interarmónica debido a sus ganancias pasabanda más lisas y a su mejor rechazo Fig. 9. Magnitud de las primeras tres derivadas obtenidas con la TFT: (a) primero, (b) segundo, y (c) tercer coeficiente de Taylor. 71 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier / Miguel Ángel Platas Garza, et al. interarmónico. Como en cualquier transformación biortogonal, la aproximación sucesiva no cumple, de manera que los coeficientes de orden cero (coeficientes de Fourier) se mejoran agregando más y más componentes de Taylor, dado que la TFT extrae la interferencia de los cambios dinámicos debidos a esos nuevos términos de Taylor incluidos. Las figuras 9 (a)-(c) ilustran las magnitudes de los nuevos coeficientes de Taylor. Estos coeficientes complejos portan la información de las derivadas instantáneas (a la mitad de la ventana de observación) de amplitud y fase de cada armónica. Las derivadas de amplitud dan la posición, velocidad y aceleración de cada envolvente armónico. Podrían utilizarse para detectar el estado estable, cambios repentinos, o transitorios. Pero más importante, las derivadas de la fase, indican la desviación frecuencial y sus derivadas. Estos dos estimados serán extremadamente importantes para evaluar la estabilidad del sistema de potencia, así como el nivel de flujos de potencia intercambiados entre dos WANS adyacentes. de los estimados de fase utilizados en los equipos comerciales actuales. Los errores NRMSE de la TFT y FT para este caso son los siguientes: NRMSE FT = 1.62 × 10−2 (30) NRMSE TFT = 7.07 × 10−3 (31) El NRMSE se reduce casi a la mitad. Por lo que una mejor aproximación es obtenida con la solución TFT, en el sentido de mínimos cuadrados. Finalmente, para reducir el error de aproximación, se puede utilizar la aproximación ponderada WLS usando una ventana como ponderación (ver Apéndice). El uso de una ventana reduce el nivel de lóbulos laterales en la respuesta en frecuencia, conduciendo a errores inferiores en ambas FFT y Tabla II. Función de costo NRMSETFT, para diferentes órdenes de polinomio de Taylor K y ventanas kaiser α. K=0 K=1 K=2 K=3 α=0 1.62×10-2 1.62×10-2 7.07×10-3 7.07×10-3 α=4 7.66×10-3 7.66×10-3 2.91×10-3 2.91×10-3 α=8 4.04×10-3 4.04×10-3 3.62×10-5 3.62×10-5 α=12 2.02×10-3 2.02×10-3 2.38×10-8 2.38×10-8 TFT. En la tabla II se muestra la reducción del error de aproximación obtenido con ventanas de Kaiser. Note que separadamente, ninguno de estos parámetros produce una reducción significativa del error, pero combinados producen un cambio significativo, alcanzando una reducción de 10-5 con respecto al de la FT (con K = 2, α = 12). Esto se debe a las excelentes respuestas en frecuencia de los estimadores. Note que un incremento de un orden par a uno impar no produce cambio alguno en la función de costo, esto es verdad si la ventana de observación se desplaza muestra por muestra, y únicamente la muestra central es tomada en cuenta en la reconstrucción, ya que todos los términos de Taylor de orden no nulo valen cero en la muestra del centro. Fig. 10. Fluctuaciones de fase y frecuencia fundamental. La figura 10 ilustra la fase y frecuencia fundamental del evento analizado en nuestro caso particular. Note que los picos de frecuencia son debidos a los cambios abruptos de fase que ocurren a baja amplitud. Note también que los estimados frecuenciales de la TFT no son tan ruidosos como los estimados con ecuaciones de diferencia finitas 72 DISCUSIÓN Los libros de texto hacen truco en la presentación de la DFT. No se presenta como la aproximación de mínimos cuadrados de un modelo de señal periódico a una señal dada. Al no usar el tradicional sombrero en los coeficientes de Fourier estimados, hacen creer que las estimaciones son exactas, o a olvidar la condición de periodicidad para su exactitud. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier / Miguel Ángel Platas Garza, et al. Pero el hecho es que el modelo de señal de la DFT no tiene cabida para las fluctuaciones dinámicas de amplitud y de fase, y en sus estimaciones se infiltra las derivadas de estas fluctuaciones. En la demostración del Teorema de Parseval, se hace el truco de sustituir el modelo de señal en la señal de entrada, lo cual equivale a decir que si la señal de entrada está en el subespacio del modelo, el error es nulo. ¡Qué astucia! Los filtros TFT reducen la interferencia interarmónica y ofrecen estimaciones que pueden usarse en monitoreo, detección de transitorios, compresión de señal o aplicaciones de control automático. Además, las estimaciones de frecuencia de la TFT son más suaves que las obtenidas con ecuaciones de diferencias finitas de los estimados de fase de la FFT. Y todos los (K+1)(2H+1) estimados se calculan de golpe, de manera que son instantáneos con un retraso constante, pero pueden sincronizarse con una estampa de tiempo a la mitad de la ventana de observación. Los artículos citados provienen de vibraciones mecánicas o de eléctrica pero existen muchas aplicaciones potenciales para la TFT: el amplio campo de las señales cuasiperiódicas tales como la voz, las señales sismográficas, el análisis de fluctuaciones, o en sistemas de transmisión digital, en la cual cada canal se comporta como una dinámica armónica independiente. Aun cuando el subespacio de la TFT reserve espacio para pequeñas desviaciones en frecuencia en la primera derivada de la fase, fugas son posibles para grandes variaciones frecuenciales. Sin embargo, dado que se dispone de estimados frecuenciales, los filtros podrían adaptar su frecuencia central a la frecuencia instantánea. Además, hay importantes limitaciones que deben tenerse en cuenta: la solución se hace mal condicionada cuando K aumenta, la ventana de ponderación puede aumentar la infiltración del ruido a través del lóbulo principal, y en caso de presencia de componentes subarmónicas, éstas pueden infiltrarse. Finalmente, la nueva herramienta digital tiene una bella estructura con propiedades de simetría y periodicidad, de tal manera que el algoritmo de la FFT puede acelerar su cómputo en aplicaciones de tiempo real. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 CONCLUSIONES Se presentó el estimador TFT como extensión Tayloriana de la FT. Puede interpretarse como un banco de filtros formado por un conjunto de filtros máximamente lisos con menos distorsión y menos interferencia interarmónica que los basados en la FT. El conjunto de filtros asignado a cada frecuencia armónica posee las ganancias de diferenciadores ideales junto a dicha frecuencia, y ganancias nulas planas junto al resto de las frecuencias armónicas, lo que asegura un excelente rechazo interarmónico. Cuando las densidades espectrales de las armónicas dinámicas están confinadas en intervalos bajo las bandas frecuenciales de diferenciación ideal, los coeficientes de la TFT ofrecen mediciones de las primeras derivadas de su envolvente compleja. Estas señales con armónicas de pasabanda angosta se encuentran en el subespacio de la TFT y en ellas el error de aproximación es nulo. El estimador ofrece un vector de estados muy útil no sólo para la compresión de señales, sino también para el monitoreo y control del sistema eléctrico de potencia. Su rendimiento fue evaluado a través de dos ejemplos, reduciendo el error medio cuadrático de la reconstrucción por un factor de 10-5. La mejor aproximación se obtiene cuando el espectro dinámico queda confinado bajo las ganancias de diferenciación ideal. La reconstrucción con la TFT es más precisa que la de Fourier para este tipo de señales. En general, la FT nunca tendrá errores de reconstrucción inferiores a los de la TFT, debido a que el subespacio de la TFT contiene al de la FT. APÉNDICE Además de la reducción de la interferencia interarmónica de la TFT, la infiltración subarmónica puede reducirse con el uso de ventanas como factores de ponderación del criterio de la solución de mínimos cuadrados ponderados (WLS).29 Esta técnica reduce la ganancia de rechazo de los filtros. Debido a que la respuesta en frecuencia de los filtros estimadores se forman por una combinación lineal del espectro de la ventana y sus derivadas,26,27 la ventana con el nivel de lóbulos laterales más bajo produce los diferenciadores con la menor ganancia de rechazo. La figura A1 ilustra un ejemplo, usando la ventana de Kaiser α = 0,5,10. Note que esta clase de 73 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier / Miguel Ángel Platas Garza, et al. Fig. A1. Reducción del nivel de lóbulos laterales en el estimador dc con diferentes ventanas de Kaiser como ponderaciones de la solución WLS. enventaneado preserva las ganancias lisas junto a las frecuencias armónicas y reduce el nivel de lóbulos laterales, note también que este método, como el de la técnica clásica de enventaneado, también ensancha el lóbulo principal. REFERENCIAS 1. V. D. A. Corino, L. T. Mainardi, M. Stridh, and L. Sormo, Improved time frequency analysis of atrial fibrillation signals using spectral modeling, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 55, no. 12, pp. 2723–2730, december 2008. 2. F. Zhang and Y. Yan, Selective harmonic elimination pwm control scheme on a threephase four-leg voltage source inverter, Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 24, no. 7, pp. 1682 – 1689, july 2009. 3. A. Kamitani, T. Takayama, and S. Ikuno, Axisymmetric simulation of inductive measurement method for critical current density in bulk hts: Relation between third harmonic voltage and coil current, IEEE Trans. Appl. Supercond., DOI: 10.1109/TASC.2009.2018795. 4. J. G. Proakis, Digital Communications, 4th ed. New York: McGraw Hill, 2000. 5. C. Liguori, A. Paolillo, and A. Pignotti, An intelligent fft analyzer with harmonic interference effect correction and uncerainity evaluation, 74 IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 53, no. 4, pp. 1125–1131, august 2004. 6. T. S. Kuhn, The Structure of Scientific Revolutions, 3rd ed. University Of Chicago Press, Dec. 1996. 7. I. Santamaria-Caballero, C. J. Pantaléon-Prieto, J. Ibñez-Días, and E. Gómez-Cosio, Improved procedures for estimating amplitudes and phases of harmonics with application to vibration analysis, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 47, no. 1, pp. 209–214, february 1998. 8. C. Liguori, A. Paolillo, and A. Pignotti, Estimation of signal parameters in the frequency domain in the presence of harmonic interference: A comparative analysis, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 55, no. 2, pp. 562–569, april 2006. 9. L. Salvatore and A. Trotta, Flat-top windows for pwm waveform processing via dft, IEE Proc. Electric Power Applications, vol. 135, no. 6, pp. 346–361, 1988. 10. G. Andria, M.Savino, and A. Trotta, Windows and interpolation atlgorithms to improve electrical measurement accuracy, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 88, no. 4, pp. 856–863, august 1989. 11. C. Offelli and D. Petri, Interpolation techniques for real-multifrequency waveform analysis, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 39, no. 1, pp. 106–111, february 1990. 12. O. Solomon, The use of dft windows in signal-tonoise ratio and harmonic distortion computations, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 43, no. 2, pp. 194–199, april 1994. 13. A. Ferrero and R. Ottoboni, High-accuracy fourier analysis based on synchronous sampling techniques, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 41, no. 6, pp. 780–785, december 1992. 14. J. A. de la O, On the use of amplitude shaping pulses as windows for harmonic analysis, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 50, no. 6, pp. 1556– 1562, december 2001. 15. D. Gabor, Theory of communication, Journ. IEE, pp. 429–457, 1946. 16. M. K. Kiymika, I. Guler, A. Dizibuyuk, and M. Akin, Comparison of STFT and wavelet transform methods in determining epileptic seizure activity in EEG signals for real-time Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Análisis de armónicas dinámicas mediante la transformada Taylor-Fourier / Miguel Ángel Platas Garza, et al. application, Computers in Biology and Medicine, vol. 35, no. 7, pp. 603–616, october 2005. 17. I. Daubechies, Ten lectures on wavelets, in SIAM, 1992. 18. M. Vetterli and J. Kovacevic, Wavelets and subband coding. Prentice-Hall PTR, 1995. 19. S. Horowitz, , and A. G. Phadke, Power system relaying. New york: Wiley, 1992. 20. J.-Z. Yang, C.-S. Yu, and C.-W. Liu, A new method for power system signal harmonic analysis, IEEE Trans. Power Del., vol. 20, no. 2, pp. 1235–1239, april 2005. 21. J. J. Tomic, M. D. Kusljevic, and V. V. Vukicic, A new power system digital harmonic analyzer, IEEE Trans. Power Del., vol. 22, pp. 772–780, 2007. 22. M. A. Platas and J. A. de la O Serna, Dynamic harmonic analysis through taylor-fourier transform, IEEE Trans. Instrum. Meas., (2011), doi 10.1109/TIM.2010.2064690. 23. S. Samadi, O. Ahmad, and M. Swamy, Complete characterization of systems for simultaneous lagrangian upsampling and fractional-sample delaying, IEEE Trans. Circuits Syst. I, vol. 52, no. 3, pp. 656–667, Mar 2005, p. 658. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 24. M. Vetterli, J. Kovacevic, and V. K. Goyal, The World of Fourier and Wavelets: Theory, Algorithms and Applications. Downloadable from http://www.fourierandwavelets.org, 2009. 25. A. Papoulis, Signal Analysis. New York: McGraw Hill, 1977, p 62. 26. M. A. Platas-Garza and J. A. de la O Serna, Dynamic phasor estimates through maximally flat differentiators, in Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008 IEEE, 2008, pp. 1–8. 27. J. A. de la O Serna and M. A. Platas-Garza, Maximally flat differentiators through wls taylor decomposition, Elsevier Digital Signal Process., Digital Signal Process, Vol. 21, No. 2, March 2011, pp.183-194. 28. J. A. de la O, Dynamic phasor estimates for power system oscillations, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 56, no. 5, pp. 1648–1657, october 2007. 29. M. A. Platas-Garza and J. A. de la O, Dynamic phasor and frequency estimates through maximally flat differentiators, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 59, no. 7, pp. 1803–1811, july 2010. 75 �Eventos y reconocimientos I. CREAN CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIAS FÍSICO-MATEMÁTICAS Una inversión cercana a los 50 millones de pesos realizó la UANL para la construcción, equipamiento y conectividad del Centro de Investigación en Ciencias Físico-Matemáticas (CICFIM), el cual fue inaugurado el 17 de enero de 2011. Encabezaron esta ceremonia el Rector de la UANL, Dr. Jesús Áncer Rodríguez, la maestra Patricia Martínez Moreno, Directora de la FCFMUANL; el Dr. Jaime Parada Ávila, Director General del Instituto de Innovación e Investigación Tecnológica del Estado de N.L., así como directivos de la industria y cuerpos académicos de la entidad que son aliados estratégicos de este nuevo centro. Las instalaciones cuentan con una extensión de 2,577 m2, en las que se encuentran salas de capacitación, cubículos para investigadores, estaciones de trabajo para estudiantes y 14 laboratorios. Momento en el que CICFIM es inaugurado por autoridades de la UANL. 76 II. PREMIO ESTATAL DE LA JUVENTUD 2010 El 10 de diciembre de 2010 el Gobierno del Estado de Nuevo León, a través del Instituto Estatal de la Juventud, llevó a cabo en el Teatro de la Ciudad la ceremonia de la entrega del Premio Estatal de la Juventud, edición 2010, con el que se reconoce a aquellas personas que han destacado en diversas actividades en beneficio de la comunidad. El evento, estuvo encabezado por el Gobernador del Estado de Nuevo León, Lic. Rodrigo Medina de la Cruz, y el Director del Instituto, Mauricio Canseco Cavazos. Este premio es un galardón a los jóvenes más destacados en las áreas de: Emprendedor Académico, Artista, Empresarial, Ciencia y Tecnología, Labor Social y Discapacidad e Integración Social. El Rector, Dr. Jesús Áncer Rodríguez, felicitó y reconoció a los cuatro estudiantes universitarios distinguidos: Mónica González Arroyo, Diana Elizabeth Cortés Coss, José Juan García Garza y Jaime Elihezer Valadez Ramos, este último, estudiante de posgrado de la FIME-UANL, recibió la distinción en la categoría de ciencia y tecnología. El gobernador del Estado de Nuevo León, Lic. Rodrigo Medina De la Cruz, presidiendo la ceremonia de entrega de los Premios Estatales de la Juventud 2010. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Eventos y reconocimientos El Rector de la UANL, Dr. Jesús Áncer Rodríguez entregó un reconocimiento a los estudiantes universitarios que recibieron el Premio Estatal de la Juventud 2010. III. CELEBRACIÓN DEL NÚMERO 50 DE LA REVISTA INGENIERÍAS La Revista Ingenierías, órgano de difusión del quehacer científico de la FIME-UANL, llegó a su número 50, luego de 13 años de publicarse ininterrumpidamente. Son más de 350 los artículos que ha publicado la revista Ingenierías, con el rigor que exige una publicación de especialidad; los cuales están disponibles a través de su versión electrónica en extenso en Internet. Para celebrar este logro, y agradecer a las personas que lo hicieron posible, se llevó a cabo una ceremonia el 3 de marzo de 2011, encabezada por el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME; el Dr. Francisco Gorjón Gómez, Director de Estudios de Posgrado UANL, el Ing. Fernando J. Elizondo Garza, Director de la Revista Ingenierías, y el Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, Editor de la misma. En esta ceremonia festejo estuvieron presentes la Dra. Norma Laura Heredia Rojas, Presidenta de la Región Noreste de la Academia Mexicana de Ciencia; la Dra. Martha Patricia Guerrero Mata, Representante en Monterrey de la Academia de Ingeniería; así como directivos de la FIME-UANL, y los miembros locales del Consejo Editorial, del Cómite Técnico, y del equipo Central Editorial de la revista. Asistentes a la celebración con motivo del número 50 de la Revista Ingenierías. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 77 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL Enero a Diciembre 2010 María Gabriela García Ayala. Doctora en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de Sistemas. Tesis: Expansión de capacidad de plantas tipo batch, 26 de enero de 2010. Jurado: Dr. Óscar L. Chacón Mondragón, Dra. Yasmín Ríos Solís, Dr. Joaquín Acevedo Mascarú, Dr. Roger Z. Ríos Mercado, Dr. Igor Litvinchev Semionovich. Vladimir García Hernández. Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Estudio del efecto de sustituyentes laterales tipo éter y éster en las energías de excitación de oligómeros conjugados por medio, 9 de julio de 2010. Jurado: Dr. Virgilio A. González González, Dr. Sergio Mejía Rosales, Dra. Ivana Moggio, Dr. Martín Edgar Reyes Melo, Dr. Antonio Francisco García Loera. María Angélica Salazar Aguilar. Doctora en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de Sistemas. Tesis: Models, algorithms, and heuristics for multiobjective commercial territory design. 7 de mayo de 2010. Jurado: Dr. Roger Z. Ríos Mercado, Dra. Yasmín A. Ríos Solís, Dr. José Luis González Velarde, Dra. Ada M. Álvarez Socarras, Dr. Neale R. Smith Cornejo. Daniel Sánchez Martínez. Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Síntesis y caracterización de nanopartículas de WO3 para la evaluación de su actividad fotocatalítica en la degradación de contaminantes orgánicos por acción de luz visible, 19 de noviembre de 2010. Jurado: Dr. Azael Martínez de la Cruz, Dr. Enrique M. López Cuéllar, Dra. Selene Sepúlveda Guzmán, Dr. Edgar Moctezuma Velázquez, Dr. Luis Carlos Torres González. Alberto Esquivel Herrera. Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Desarrollo de un aglutinante orgánico para la fabricación de moldes y corazones de arena, 24 de mayo de 2010. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortíz, Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Abraham Velasco Tellez, Dr. Salvador Valtierra Gallardo, Dr. José Talamantes Silva. Irma Delia García Calvillo. Doctora en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de Sistemas. Tesis: Un enfoque heurístico para un problema de ruteo con flexibilidad en las fechas de entrega, 24 de junio de 2010. Jurado: Dra. Ada M. Álvarez Socarrás, Dr. Fernando López Irarragorri, Dr. Joaquín Pacheco Bonrrostro, Dr. Pablo Barrera Sánchez, Dra. Deniz Ozdemir. 78 Iván Eleazar Moreno Cortez. Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Inmovilización de enzimas en nanofibras mediante la técnica de electrohilado para su aplicación en biosensores y sistemas de liberación controlada. 26 de noviembre de 2010. Jurado: Dr. Virgilio A. González González, Dr. Jorge Romero García, Dr. Martín Edgar Reyes Melo, Dr. Carlos A. Guerrero Salazar, Dr. Antonio S. Ledezma Pérez. Xavier Enrique Guerrero Dib. Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Síntesis y caracterización de nanopartículas monometálicas y bimetálicas de Au y Au-Ag, 26 de noviembre de 2010. Jurado: Dr. Ubaldo Ortíz Méndez, Dr. Alejandro Torres Castro, Dra. Oxana Vasilievna Kharissova, Dr. Enrique M. López Cuéllar, Dr. Mauricio Garza Castañón. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Diciembre 2010 - Febrero 2011 Herman Castañeda Cuevas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Control de un vehículo aéreo no tripulado de ala fija para el seguimiento de trayectorias”, 1 de diciembre de 2010. Eduardo Alejandro Medina Loera, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 1 de diciembre de 2010. Perla Treviño Ramos, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Examen por materias), 2 de diciembre de 2010. Alfredo Cipriano Ruíz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Examen por materias), 3 de diciembre de 2010. Erika Lizett Jaramillo Cervera, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 3 de diciembre de 2010. César Paolo Cepeda Velasco, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, (Examen por materias), 6 de diciembre de 2010. Edgar Iván Saldaña Garza, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 10 de diciembre de 2010. Héctor Carrasquel Treviño, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 13 de diciembre de 2010. Jesús Alejandro Sandoval Robles, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 en Materiales, (Examen por materias), 15 de diciembre de 2010. César Alejandro García Vega, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Examen por materias), 16 de diciembre de 2010. Víctor Manuel García Mireles, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Examen por materias), 16 de diciembre de 2010. Laura Edith Hernández Castro, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Examen por materias), 6 de enero de 2011. Claudia Elizabeth Alonso Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 7 de enero de 2011. Francisco Javier Lizama Martínez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 18 de enero de 2011. Jaaziel Apolonio Sánchez Rodríguez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, Proyecto corto: “Proyecto de eficientización de los procesos logísticos en la cadena de suministro”, 20 de enero de 2011. Edgar Enrique García Masetto, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, Proyecto corto: “Proyecto de la creación de la carrera ingeniero en logística industrial”, 20 de enero de 2011. Raúl Augusto Sobrevilla Arteaga, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 21 de enero de 2011. 79 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Alejandra Castillo Morales, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 22 de enero de 2011. Josefina del Carmen Fernández Alanís, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 25 de enero de 2011. Mónica Rocío Martínez Peña, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 26 de enero de 2011. Eva Cervantes Rojas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Materiales, “Efecto de la deformación en frío y tratamiento térmico sobre las propiedades lineales en alambres de aluminio AA6201”, 28 de enero de 2011. Jessica Natalia Martínez Balderas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 28 de enero de 2011. Adrián López Mayorga, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, Proyecto Corto: “Domótica”, 4 de febrero 2011. Erick José Escobar Zamorano, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Examen por materias), 4 de febrero de 2011. Mónica Camacho Lira, Maestría en logística y cadena de suministro con orientación en dirección y operaciones, proyecto corto: “Implementación del water spider en Ram Tech MFG”, 9 de febrero de 2011. María De Lourdes Baladran Torres, Maestría en Ciencias de la Ingeniería mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis de geopolímeros mediante diferentes precursores”, 10 de febrero de 2011. Oliver Avalos Rosales, Maestría en Ingeniería de sistemas, “Simulación de cristalización de 80 materiales: Nucleación térmica y crecimiento equiaxial de núcleos”, 11 de febrero de 2011. Juan Francisco Fabela Castillo, Maestría en Administración Industrial y de negocios con orientación en finanzas, (Examen por materias), 14 de febrero de 2011. Francisco Arturo Nieto Méndez, Maestría en Administración Industrial y de negocios con orientación en finanzas, (Examen por materias), 14 de febrero de 2011. Héctor Valdez Jaramillo, Maestría en Ingeniería con Orientación en Mecatrónica, (Examen por materias), 17 de febrero de 2011. Benito Flores Garza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, 18 de febrero de 2011. Alfredo De La Garza Chávez, Maestría en ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Diseño y construcción de un dilatómetro de alta velocidad para el diseño de transformaciones de fase en materiales”, 22 de febrero de 2011. Adbeel E. Calvillo Labra, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Examen por materias), 23 de febrero de 2011. Juana María De Jesús Villarreal Rivas, Maestría en Administración Industrial y de negocios con orientación en comercio exterior, (Examen por materias), 23 de febrero de 2011. César Alejandro Rocha Del Ángel, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Examen por materias), 23 de febrero de 2011. Benjamín Rodríguez González, Maestría en Ingeniería con orientación en manufactura, (Examen por materias), 24 de febrero de 2011. Miguel Ángel Salazar Tovias, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Examen por materias), 24 de febrero de 2011. Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Acuse de recibo CONSTRUCCIÓN Y TECNOLOGÍA TECHNICITY La revista mensual Construcción y tecnología (ISSN 0187-7895), publicada por el Instituto Mexicano del Cemento y el concreto, A.C., trata sobre los diferentes aspectos relacionados con la ciencia y tecnología del cemento y su transformación en concreto, así como sobre su uso en construcciones. Impresa con limpieza y calidad esta revista presenta en diferentes secciones aspectos editoriales, artículos cientifíco-tecnológicos, casos de usos, noticias y anuncios de eventos. Como ejemplo, en su número 273, correspondiente a febrero de 2011, aborda temas como: La construcción del proyecto hidroeléctrico La Yesca; ¿Porqué se caen los edificios en los sismos?; Vino y concreto, donde se abordan las construcciones para viñedos; Una alernativa de interés, que aborda las tendencias en concretos para pavimentos; entre otros interesantes temas. Para mayor información sobre esta publicación puede consultar la página en Internet del instituto en la dirección: www.imcyc.com (FJEG) Boletín semestral de comunicación de la empresa Daimler AG (ISSN 2190 0523) que presenta innovaciones tecnológicas de las que esta compañía es partícipe. La edición es atractiva y variada en contenido, en su número más reciente (02/2010), presenta un estudio sobre biocombustibles en Alemania, uno sobre diodos emisores de luz, y otro sobre el futuro de la celda de combustible en el que se pueden apreciar las tendencias actuales, presentando productos que van más allá de los prototipos. También se habla sobre innovación tecnológica, la definición de las patentes y cómo se administran, y de modo especial la presentación de un nuevo estilo de vida urbano, en el que se relaciona la diversidad con el crecimiento económico. Los artículos están redactados de manera directa y concisa, y seguramente les parecerá interesante, como cultura general de actualidad, a aquellas personas relacionadas con la ingeniería, que identificarán claramente las posturas o avances que se presentan. La revista se puede consultar en línea, en inglés, http://www.daimler-technicity.de/en/ (JAAG) Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 81 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Ingeniero Mecánico y Maestro en Metalurgia por el Instituto Tecnológico de Saltillo. Doctorado en Ingeniería de Materiales por la UANL (1991). Premio de Investigación UANL en 1991, 2001 y 2003, y Premio TECNOS en el 2000. Es Profesor Investigador de la FIME-UANL. SNI, nivel 1 y miembro de la AMC. De la O Serna, José Antonio Doctor en Telecomunicaciones por la Escuela Nacional Superior de Telecomunicaciones de París, Francia (1982). Entre 1982 y 1986 trabajó en el ITESM. De 1988 a 1993 trabajó en el Politécnico de Yaoundé Camerún. Actualmente es Profesor Investigador de la UANL. Es miembro del SNI. Duarte Godoy, María Magdalena Licenciada en Psicología y Maestra en Educación por la Universidad Autónoma de Guadalajara. Es Profesora de Tiempo Completo de la Universidad Autónoma de Baja California y estudiante de doctorado. Durand, Bernard Ingeniero de la Escuela Superior Nacional de Química de Mulhouse, Maestro en Electroquímica en Strasbourg, Doctor Ingeniero en la Universidad Claude Bernard en Lyon (1975) y Doctor de Estado en Ciencias (1979). Es profesor de la Universidad Paul Sabatier en Toulouse, Francia. Elizalde Ramírez, Fernando Ingeniero Industrial del Instituto Tecnológico de Cerro Azul (2010), actualmente es estudiante de tiempo completo de la maestría en Ingeniería Industrial de la FIME-UANL. Participó en el XX Verano de la Investigación Científica, AMC. 82 Espinoza Valdez, Aurora Realizó sus estudios de maestría en la Universidad Autónoma de San Luis Potosí; y su doctorado en el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, actualmente es Profesor Investigador en la FIME-UANL. Femat, Ricardo Investigador Titular en la DMAp-IPICYT, Miembro del SNI, y la AMC; Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica en San Luis Potosí, México. Galaz Fontes, Jesús Francisco Egresó de la Facultad de Psicología de la UNAM. Doctorado en Educación por la Claremont Graduate University. Actualmente trabaja en la Universidad Autónoma de Baja California, Mexicali. Es miembro del SNI, nivel 2. González Hernández, Lucy T. Licenciada en Química Industrial y Maestra en Ciencias con Especialidad en Química Analítica por la UANL. Actualmente es Profesora Investigadora de la Universidad de Oriente, Núcleo de Monagas en Venezuela. González Quijada, Mario R. Licenciado en Química por la Universidad de Oriente en Venezuela, Maestro y Doctor en Ciencias por la UANL. Actualmente es Profesor Investigador de la Universidad de Oriente, Núcleo de Monagas en Venezuela. Guillemet-Fritsch, Sophie Graduada de la Universidad de Haute Alsace, Mulhouse, en Física y Ciencias Aplicadas. Maestría en Metalurgia por la Universidad de París XI, Orsay (1994). Doctora en Ciencia de Materiales de la Universidad Paul Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Colaboradores Sabatier y posdoctorado en la Universidad de Princeton en Estados Unidos. Es Investigadora de la Universidad Paul Sabatier, Toulouse, Francia. orientación en Control Automático (2008) por la FIME-UANL. Actualmente es profesor de la FIME y es estudiante de doctorado en la misma institución. Gutiérrez Portillo, Susana Licenciatura en Comunicación por la Facultad de Ciencias Humanas y Maestra en Estudios Socioculturales por el Centro de Investigaciones Culturales-Museo por la Universidad Autónoma de Baja California. Actualmente es estudiante de doctorado. Rebolloso Gallardo, Roberto Licenciado en Antropología por la UANL. Estudios de posgrado en Antropología en la Universidad Estatal de Wayne, Detroit, Michigan. Maestría en Informática Administrativa en la FACPYA-UANL. Estudios de doctorado en ciencias sociales en la Universidad Iberoamericana. Actualmente es catedrático en la FFYL-UANL. Longoria Rodríguez, Francisco Enrique Licenciado en Química Industrial por la UANL, Maestro y Doctor en Ciencias con Especialidad en Ingeniería Cerámica por la UANL. Actualmente es Profesor Investigador de la Universidad de Oriente, Núcleo de Monagas en Venezuela. Martínez De la Cruz, Azael Licenciado en Química Industrial por la UANL y Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense de Madrid. Actualmente es profesor investigador de FIME-UANL, ha obtenido 3 premios de Investigación UANL, 2 premios como asesor de la mejor tesis de maestría-UANL (2008 y 2009) y 3 premios Nacionales de Investigación. SNI, nivel 2. Morones Ibarra, J. Rubén Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la UANL. Doctorado en Física en el área de Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es catedrático de la FCFMUANL. SNI nivel 1. Nava Quintero, Román Jabir Ingeniero Mecánico Electricista (2000) y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en materiales (2008) por la UANL. Actualmente realiza un doctorado en cotutela entre al UANL y la Universidad Paul Sabatier de Francia. Ordaz Salazar, Francisco C. Estudios de Ingeniería en el Instituto Tecnológico de San Luis Potosí. Maestría en la FI de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí. Doctorado por la UASLP. Actualmente es Profesor y asesor en la UPSLP. Candidato al SNI. Platas Garza, Miguel Ángel Ingeniero en Electrónica y Automatización (2006), y Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica por la FIME-UANL. Doctorado en Ingeniería de Materiales (2004) en la Université Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Premio a Mejor Tesis de Maestría UANL 1999 y Premio de Investigación UANL 1999. Es catedrático investigador en la FIME y el CIIDIT de la UANL. Ríos Solís Yasmín A. Licenciada en Matemáticas Aplicadas por el ITAM. Maestría en Ciencias Computacionales e Investigación de Operaciones y Doctorado en Ciencias Computacionales por la Universidad Pierre & Marie Curie en París, Francia. Profesora de la FIME-UANL. Miembro del SNI Nivel 1. Sevilla García, Juan José Licenciado en Química por la Universidad Autónoma de Baja California. Maestría por el Instituto Tecnológico de Tijuana. Doctorado por la Universidad Iberoamericana del Noroeste. Profesor del Instituto de Ingeniería de la UABC. SNI nivel 1. Silva Soto, Yadira I. Licenciada en Matemáticas por la FCFM-UANL. Maestría en Ingeniería de Sistemas por la FIMEUANL. Actualmente trabaja en el banco IXE. Zaid, Gabriel Poeta y ensayista. Ingeniero Mecánico Administrador por el ITESM, Monterrey (1955). Recibió el premio Xavier Villaurrutia (1972). Fue miembro del consejo de la revista Vuelta (1976-1992) y de la Academia Mexicana de la Lengua (1986-2002). Ingresó en El Colegio Nacional el 26 de septiembre de 1984. 83 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes y convocatorias. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Se aceptarán trabajos en inglés solamente de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES En el caso de los trabajos de revisión o divulgación el autor debe demostrar que ha trabajado y publicado en el tema del artículo, debe ofrecer una panorámica clara del campo temático, debe separar las dimensiones del tema y evitar romper la línea de tiempo y considerar la experiencia nacional y local, si la hubiera. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben contener la presentación de resultados de medición acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamentre dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen 84 mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 �Publicación trimestral arbitrada de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionistas, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. La opinión expresada en los artículos firmados es responsabilidad del autor. No se responde por originales y colaboraciones no solicitadas. Se autoriza la reproducción total o parcial de los artículos siempre y cuando se solicite formalmente, se cite la fuente y no sea con fines de lucro. La correspondencia deberá dirigirse a: Revista Ingenierías, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL, A.P. 076 “F”, Ciudad Universitaria, C.P. 66450, San Nicolás, N.L., México. Tel: (52) (81) 8329-4020 Ext. 5854. Fax: (52) (81) 8332-0904 Correo electrónico: revistaingenierias@gmail.com , fjelizon@mail.uanl.mx , juan.aguilargb@uanl.edu.mx Página en Internet: http://ingenierias.uanl.mx Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. ISSN: 1405-0676 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 85 �CALIMET CALIMET SA SA de de CV CV LABORATORIO ACREDITADO ISO/IEC 17025 SERVICIOS: ANÁLISIS QUÍMICOS Espectrometría de chispa en materiales matriz fierro, aluminio y cobre Absorción atómica Determinador de Carbono y Azufre CS 230 Materiales ferrosos y no ferrosos Análisis vía húmeda Grafito, cales, ferroaleaciones Combustión Determinación de %C y %S Granulometría PRUEBAS MECÁNICAS Y FÍSICAS Ensayo de Impacto Charpy hasta -80° C Tensión y compresión Dureza Rockwell (Todas las escalas) Dureza Brinell Ensayos de impacto charpy ANÁLISIS NO DESTRUCTIVOS Ultrasonido Líquidos penetrantes Medición de espesores Partículas magnéticas Radiografía industrial (subcontratada) Durómetro Rockwell nueva generación Ultrasonido detector de fallas ANÁLISIS DE FALLA Caracterización microestructural con microscopio Carl Zeiss y analizador de imagen Metalografía de Campo Experiencia, Calidad y Servicio... Equipos verificados y calibrados de acuerdo a la Norma NMX-EC-17025-IMNC-2006. Informes de calibración y trazabilidad al CENAM y NIST. Av. Las Puentes, No. 1002-A, entre Montes de Transilvania y Av. Santo Domingo Col. Las Puentes 4to. Sector, San Nicolás de los Garza, N.L., C.P. 66460 Tels: 8353-1745, 8302-04-86, 8057-30-76, 1367-03-39, 8350-92-89, Tel/Fax: 1367-03-40 Pág. Web www.calimet.com.mx E-mail: calimet1@prodigy.net.mx, servicioalcliente@calimet.com.mx 86 Ingenierías, Abril-Junio 2011, Vol. XIV, No. 51 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2011 Volumen Volumen de la revista 14 Número Número de la revista 51 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2011, Vol 14, No 51, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2011 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020814 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Angiogénesis Celda electroquímica Efecto MeiBner Grafos Síntesis Superconductividad https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20773/Ingenierias_2011_Vol_14_No_50_Enero-Marzo.pdf 69c0617ce7fd070bd9eaa2791d1742e4 PDF Text Text �Contenido Enero-Marzo de 2011, Vol. XIV, No. 50 50 2 Directorio 3 Editorial Responsabilidad, prestigio y liderazgo del ingeniero Fernando Javier Elizondo Garza 9 Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor Paola Gómez López, Virgilio A. González González, Marco Garza Navarro, Reynaldo Esquivel González 17 Detección de fallas mediante el espacio de paridad continuo en un sistema de tres tanques Jesús Víctor Manuel Cid Medina, Efraín Alcorta García, César Elizondo González 24 Pioneros de la industria del cemento en el Estado de Nuevo León, México: Cementos Mexicanos, S.A. Javier Rojas Sandoval 34 Síntesis de nanocompósitos de plata con almidón Alejandro Torres Castro, Virgilio A. González González, Marco Garza Navarro, Edgar Gauna González 42 Brechas acústicas en arreglos lineales de dipolos magnéticos Francisco Javier Sierra Valdez, Carlos Martínez Hernández, Jesús Carlos Ruiz Suárez 49 ¿Contribuyen la ciencia y la tecnología a abatir la pobreza? Gustavo Viniegra González, Carlos Viniegra Beltrán 56 Efecto del reforzamiento y la velocidad de enfriamiento en las propiedades mecánicas de la aleación AlMgSi Regino Castro Grela, Bernardo Campillo Illanes, Socorro Valdez Rodríguez 62 Compuestos β-aldólicos fotoluminiscentes como indicadores de deformación en polietileno Fernando A. Blanco Flores, Sofía Vázquez Rodríguez, María G. Sánchez Anguiano, Arturo R. Vázquez Velázquez, Virgilio A. González González 69 Eventos y reconocimientos 73 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 76 Acuse de recibo 77 Colaboradores 80 Información para colaboradores Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 1 �DIRECTORIO CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Liviu Sevastian BocÎI Rumanía. U. “Aurel Vlaicu”, Arad. Dr. Juan Jorge Martínez Vega Francía. Universidad de Toulouse III Dr. José Evaristo Ruzzante Argentina. CNEA. Dr. Samir Nagi Yousri Gerges Brasíl. UFSC, Florianopolis. Dra. Karen Lozano REDACCIÓN Lic. Julio César Méndez Cavazos DIRECTOR M.C. Fernando J. Elizondo Garza FIME-UANL EDITOR Dr. Juan Antonio Aguilar Garib TIPOGRAFÍA Y FORMACIÓN Gregoria Torres Garay Jesús G. Puente Córdova FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García TRADUCTORES CIENTÍFICOS Lic. José de Jesús Luna Gutiérrez Dra. Martha A. Fabela Cárdenas FIME-UANL Dr. Mauricio Cabrera Ríos USA. UT-Panam UPRM Dr. Juan Miguel Sánchez Dr. Rafael Colás Ortíz USA. UT-Austin FIME-UANL INDIZACIÓN L.Q.I. Sergio A. Obregón Alfaro Dr. Jesús De León Morales CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Óscar L. Chacón Mondragón FIME-UANL Dr. Moisés Hinojosa Rivera FIME-UANL FIME-UANL Dr. Virgilio A. González González FIME-UANL Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar FIME-UANL FOTOGRAFíA M.C. Jesús E. Escamilla Isla Dra. Oxana Vasilievna Karisova Dr. Boris l. Kharissov FCFM-UANL FCQ-UANL Dr. Benjamín Limón Rodríguez FIC-UANL Dr. José Rubén Morones Ibarra FCFM-UANL Dr. Ubaldo Ortiz Méndez DISEÑO M.A. José Luis Martínez Mendoza Dr. Azael Martínez De la Cruz FIME-UANL WEBMASTER Ing. Dagoberto Salas Zendejo Dr. Enrique López Cuellar FIME-UANL M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo FFYL-UANL FIME-UANL Dr. Martín Edgar Reyes Melo Dr. Miguel Ángel Palomo González FIME-UANL FCQ-UANL Dr. Roger Z. Ríos Mercado Dr. Ernesto Vázquez Martínez FIME-UANL FIME-UANL Dr. Félix Sánchez De Jesús Dr. Jesús González Hernández ICBI-UAEH IMPRESOR M.C. Mario A. Martínez Romo René de la Fuente Franco CIMAV UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector / Dr. Jesús Áncer Rodríguez Secretario General / M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado / Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura / Lic. Rogelio Villarreal E. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Director / M.C. Esteban Báez Villarreal Sub-Director de Estudios de Posgrado / Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Académico / M.C. Arnulfo Treviño Cubero Sub-Director Administrativo / M.C. Felipe de J. Díaz Morales Sub-Director de Desarrollo Estudiantil / M.C. Hugo E. Rivas Lozano Sub-Director de Vinculación y Relaciones / M.C. Jaime G. Castillo Elizondo Sub-Director de Desarrollo Institucional y Humano / Dr. Arturo Torres Bugdud 2 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Editorial: Responsabilidad, prestigio y liderazgo del ingeniero Fernando J. Elizondo Garza Departamento de Diseño de Sistemas Mecánicos, FIME-UANL fjelizon@mail.uanl.mx La ingeniería ayuda a mejorar la calidad de vida de las personas, lo cual es agradecido por la sociedad mediante el pago de los servicios que ofrece y el reconocimiento social en forma de prestigio profesional. Si la formación profesional o ética de un ingeniero no es adecuada, éste puede actuar irresponsablemente generando, además de problemas técnico-económicos, un desprestigio para la persona, la institución e incluso para la profesión. La ingeniería, incluso antes de su consolidación como profesión, va unida a responsabilidades, las cuales se olvidan con facilidad. La mayoría de las instituciones educativas consideran en sus programas de estudio y de formación extracurricularmente, la discusión explícita de la responsabilidad de los ingenieros con sus clientes, colegas, y con la sociedad en general. Aquí se discutirán, sin que se pretenda ser exhaustivo, diferentes circunstancias que llevan a la ingeniería irresponsable, por utilizar un adjetivo laxo, y sus implicantes, para posteriormente hacer propuestas para hacer que la ingeniería mexicana obtenga el prestigio que merece y así los ingenieros mexicanos retomen el liderazgo social que en general han perdido. RESPONSABILIDADES DEL INGENIERO El titularse de ingeniero establece varias obligaciones que están, o deben estar, explícita y claramente establecidas en leyes, reglamentos, normas, criterios, lineamientos y códigos de ética. Las responsabilidades del ingeniero están basadas en un sistema ético, el cual debe ser aceptado gremial y socialmente. En México dicho consenso no se ha revisado en los últimos 50 años, y, aunque el tema se trata frecuentemente en congresos, por desgracia el sistema que asegure que se concrete un código de ética nacional y que éste se cumpla no se ha podido consolidar. En nuestro país es muy difícil que un ingeniero recién egresado tenga una visión clara de estas responsabilidades, porque no se las inculcaron adecuadamente, no se les indujo a tomar en serio aspectos que generalmente se les consideran extracurriculares, “culturales”, y a decir de algunos maestros “de relleno” o de plano, por una formación inmoral, desde el hogar, que definen, entre otras premisas nefastas, “que el dinero justifica la mala ingeniería”. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 3 �Responsabilidad, prestigio y liderazgo del ingeniero / Fernando J. Elizondo Garza ¿Qué hacer ante un ingeniero irresponsable? En México hay problemas desde la tipificación de los delitos, por lo que el sistema legal raramente lleva a una correcta y expedita penalización. El esquema jurídico es tan difícil e impráctico que un asunto puede durar años en litigios o puede fácilmente llegarse al amparo de tal manera que los costos directos e indirectos de dar seguimiento a un asunto de irresponsabilidad ingenieril traducida en daño social son tan altos que raramente se llega hasta las últimas consecuencias. Por otro lado no se ve que a los profesionistas irresponsables se les quite su título o se les prohíba ejercer, ni siquiera hay listas públicas que adviertan a posibles clientes de un mal ingeniero, o si realmente es un ingeniero. En concreto, en esta materia, nuestro sistema jurídico-judicial es un manual de buenas intenciones sin posibilidades de control adecuado del ejercicio profesional debido al gran número de mecanismos de evasión. También hay que considerar que para los ingenieros cualquier sistema ético o de calidad, implica la necesidad de mayor educación, trabajo, complejidad, restricciones, etc., por lo cual estos sólo se aplicarán cabalmente si hay “conciencia” de los beneficios personales y sociales que en el mediano o largo plazo produce el ser ético. Por otro lado, los empleadores raramente reconocen los sistemas éticos ingenieriles, pues les representa un sistema de censura, de vigilancia, que permite enjuiciamientos y negativas de parte de los empleados. Todo lo anterior produce que, en la práctica, el sistema de justicia en lugar de hacer su trabajo ha pasado su quehacer a los involucrados en los problemas para que lleguen a un “acuerdo”. ¿CÓMO HACER INGENIERÍA IRRESPONSABLE? Para promover la responsabilidad, hay que tener claro que los actos ingenieriles irresponsables están relacionados, entre otros, con los siguientes aspectos: • Formación científico-tecnológica deficiente.- Gran número de problemas resultan de una mala formación profesional en estos aspectos, debida en parte a la tendencia de ofrecer cursos de carácter descriptivo, en lugar de propiciar el uso de la matemática para el diseño, lo cual no prepara para el ejercicio cabal de la ingeniería y que lleva a errores de diseño o mala selección de opciones. • Filtraje inadecuado en los sistemas educativos.- Esto generalmente se debe a una mala selección (orientación vocacional, exámenes de selección), una mala educación (malos maestros), incapacidad mental o problemas de actitud (malos alumnos), y a final de cuentas por un mal filtraje (los no capaces no son reprobados) durante y al final de los estudios. No se entiende que todos tienen derecho a ingresar a una institución de educación superior, pero el egresar con el grado depende de su trabajo y desempeño. • Obsolescencia profesional.- El no estar al día en los aspectos ingenieriles, entre otros problemas, puede llevar al uso de métodos obsoletos que llevan a resultados poco precisos, con “factores de seguridad” enormes que implican sobrecostos en la implementación, lo cual es irresponsable. 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Responsabilidad, prestigio y liderazgo del ingeniero / Fernando J. Elizondo Garza • Modas computacionales mal entendidas.- En los últimos años han aparecido un gran número de paquetes de cómputo de diseño que por desgracia a veces son mal empleados ya sea porque sus usuarios no conocen los fundamentos y supuestos bajo los que operan, porque no dominan los procedimientos y limitaciones para su uso correcto, o porque solicitan información de parámetros difícil de evaluar, lo que resulta en suposiciones, a veces por desesperación, que llevan a resultados que son francamente erróneos. • Mala comunicación.- La falta de comunicación cliente-ingeniero conlleva a muchos problemas, disgustos y demandas. El no saber acotar un problema lleva a no poder escalar el proyecto y por lo tanto a presupuestarlo y calendarizarlo mal. También hay que recordar que un cliente habla español -normal y subjetivo generalmente- y hay que traducirlo a lenguaje ingenieril. Por otro lado la mala comunicación o problemas de socialización producen en un equipo de trabajo una falta de sinergia, ineficiencia y la posibilidad de mala calidad o retrasos en el diseño o servicio. • Conflictos éticos.- En la vida profesional es difícil sobrellevar las frecuentes contradicciones entre los diferentes sistemas éticos y morales que debemos cumplir. En general la formación de una ética en el ingeniero no es abordada seriamente en las facultades, si a esto se le agrega malas bases morales, resulta inocente el esperar una ingeniería responsable. • Pobre formación cultural.- En los tiempos actuales las exigencias sobre el diseño y demás actividades del ingeniero son mucho más grandes. Tenemos que considerar muchas restricciones al diseñar o realizar un servicio, como por ejemplo, que sea: ecológico, sustentable, económico, eficiente, estético, amigable, que cumpla con los sistemas de calidad… y lo que se acumule. Dichas exigencias hacen que los proyectos tengan que abordarse en equipos multi o interdisciplinarios, para lo que se requieren ingenieros con una amplia cultura que les permita visualizar todas las dimensiones del proyecto y poder comunicarse con los diferentes tipos de profesionistas, proveedores y clientes involucrados en el trabajo. • Actitud individualista en el trabajo en equipo.- De lo anterior también queda claro que la probabilidad de éxito en muchos proyectos depende del saber trabajar en grupo, lo cual no es necesariamente instintivo sino que hay que cultivarlo. Con un solo ingeniero que no haga bien la parte de la ingeniería que le corresponda, o que no sepa interactuar socialmente, el proyecto completo se ve afectado. • No considerar efectos secundarios.- Muchos problemas del ejercicio de la ingeniería nacen de cosas que no se consideran o se subestiman, ya sea porque “no era necesario” o de plano porque ni se sabía que existía la posibilidad de generar problemas con nuestro proyecto. El número de aspectos a considerar, como ya se comentó, va creciendo. La formación a nivel licenciatura raramente aborda todos estos aspectos y sobre todo difícilmente se logra integrar la visión necesaria para abordarlos. Lo anterior implica que el no ser sensato y previsor, o sea, el ir varias jugadas adelante, y analizar diferentes escenarios es imperativo en la actualidad. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 5 �Responsabilidad, prestigio y liderazgo del ingeniero / Fernando J. Elizondo Garza • Maldito dinero… que tan feliz me hace.- El querer ganar un contrato o querer aumentar las ganancias “a como dé lugar” es fuente de gran número de comportamientos delictivos, o digamos irresponsables, ya sea al falsearse especificaciones, construir/implementar con materiales de mala calidad, y lo que la imaginación de algunos titulados de ingeniería logren idear. La excusa de la desesperación económica puede llevar a muchos a la autojustificación de la falta de ética. Esta lista parcial de problemas que pudieron ser agrupadas en forma diferente, o más amplia, da una idea de lo difícil que es hacer ingeniería tecnológica y socialmente responsable. Por desgracia un país sin una masa crítica de “ingenieros” no tiene posibilidades de estabilidad económica en nuestro competitivo y sofisticado mundo actual. DEL PRESTIGIO AL LIDERAZGO SOCIAL El prestigio ingenieril se basa en un buen ejercicio profesional técnico y social, esto es producto de una buena capacidad técnico-científica y una buena formación ético-social. No falta, y con razón, quien esté pensando ¿para qué abrir la Caja de Pandora?, si ya sabemos: que todos los ingenieros somos humanos e imperfectos y nos podemos equivocar; que en otros países demandan a médicos, ingenieros y hasta a abogados con cualquier excusa, o sólo como negocio; que es común en México que haya pocos proyectos y muchos oferentes que presupuestan muy bajo; que para qué tirar la primera piedra si puede descalabrar a amigos e incluso a uno mismo; y para qué escupir para arriba si nos regresará como brisa… Para responder hay que pasar del anterior comentario poético al ejemplo de ingeniería sanitaria: la cloaca. Todos sabemos que aunque desagradable, cada cierto tiempo hay momentos de mantenimiento en que hay que destapar la cloaca y hacer lo que hay que hacer, pues de empeñarse en no hacerlo su contenido se derramará por doquier y resultará peor. Romper costumbres, círculos viciosos y mafias no es fácil y la única manera es actuar en todas partes y a todos los niveles. Para ello se requieren líderes, pero ni mesiánicos ni inocentes con iniciativa, ni políticos en el sentido perverso que buscan vivir del presupuesto gubernamental por siempre prácticamente sin trabajar. Deben ser ingenieros cabales. Es importante dar mantenimiento al quehacer ingenieril, recuperar el prestigio de la profesión. Hace años los ingenieros eran respetados socialmente pues hacían una realidad mejor, resolvían problemas de campo. Actualmente también, pero no todos los que ostentan un título, muchos de los cuales no deberían tenerlo. Conozco un gran número de ingenieros cabales, pero el problema es que su porcentaje y número, con respeto al total, está disminuyendo y esto trae consecuencias en una realidad controlada mediáticamente: En México un jugador de futbol es una persona con mayor reconocimiento social, que no es prestigio, pero que se confunde actualmente. ¿Quiénes deben estar interesados en prestigiar la ingeniería, si no nosotros? Seamos claros, a nadie más le interesa el prestigio de los ingenieros, al contrario, 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Responsabilidad, prestigio y liderazgo del ingeniero / Fernando J. Elizondo Garza los profesionistas de otras áreas, los empleadores y los políticos prefieren tener de esclavos a ingenieros para hacer dinero gracias a su trabajo. Teniendo prestigio como ingeniero, la evolución deberá llevar al liderazgo social del ingeniero, esto es, pasar de ser un buen empleado a ser un promotor del bien social. Para que los ingenieros puedan llegar a ser líderes sociales se requiere además de las bases científicas, tecnológicas y éticas antes mencionadas, de una formación cultural amplia, que deje claro que la finalidad de la ingeniería es el bienestar de la humanidad, que hay que prepararse extracurricularmente en humanidades y artes y sobre todo el aceptar que la comunicación es clave para el buen ejercicio profesional y el poder desarrollar un liderazgo social positivo. Esto lleva años de preparación, además de una actitud decidida. ¿QUÉ HACER PARA FORMAR LOS INGENIEROS QUE MÉXICO NECESITA? Identificar las causas nos ayuda a formular soluciones, pero hay que ver no sólo las situaciones actuales y sus posibles consecuencias futuras, sino también hacia atrás para no repetir errores: ¿Qué circunstancias llevaron a las causas de los problemas actuales? La mayoría de las causas son exógenas a los ingenieros y nacen de vicios sociales a diferentes niveles y en diferentes instancias, incluyendo el sistema educativo. Pero a veces por comodidad o sentimiento de impotencia los ingenieros cooperamos. En realidad un análisis serio lleva pronto a reconocer que no hay opciones que den soluciones a corto plazo, y esto ha reforzado la sensación de impotencia y depresión psicológica que caracteriza a la gran mayoría de los ingenieros actualmente. ¿Dónde están los ingenieros líderes sociales, empresariales, industriales, e incluso políticos, en el buen sentido, que alguna vez tuvo México? ¿Por qué no tenemos un presidente ingeniero? Actualmente hay muy pocos ingenieros cabales socialmente activos, y esto provoca que las actitudes, las cuales se transmiten principalmente con el ejemplo, no permeen a las nuevas generaciones. Hay que propagar las actitudes que refuercen en los ingenieros las ganas de ser reconocidos por su calidad profesional, que hagan crecer el orgullo de decir que uno es ingeniero, no aceptarse como un empleado más de un licenciado en administración de empresas, sino crear nuestras empresas, pues no necesitamos quien nos diga cómo hacer las cosas, quien nos mande, quien se quede con el producto de nuestro trabajo. También hay que promover el actuar en forma prudente, mesurada, responsable, etc., pero activa, decidida y certera. Hay que reforzar las organizaciones profesionales serias, y desdeñar las políticas, esas que están más preocupadas por hacer reuniones con candidatos que otra cosa. Por medio de sociedades, colegios, congresos, etc. debemos dejar claro quienes son el ejemplo a seguir, establecer códigos de ética y desplazar a quienes no lo cumplan, promover la actualización profesional y propiciar la comunicación entre pares. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 7 �Responsabilidad, prestigio y liderazgo del ingeniero / Fernando J. Elizondo Garza No hay ninguna posibilidad de tener una ingeniería sólida en México si seguimos como hasta ahora: siendo laxos en la formación de los futuros ingenieros y no actuando con firmeza penal contra los ingenieros irresponsables. Hay que evitar que las facultades de ingeniería pierdan el rumbo haciendo que las instituciones de educación superior privadas no sólo sean un negocio y que las públicas no se empantanen en la burocracia y falta de orden propiciado por los sindicatos y la SEP como operador del gobierno que traduce las exigencias de los grupos políticos y económicos. Debemos ponernos por encima de esta realidad y crear un esquema en las facultades de ingeniería que sea inmune a lo antes mencionado. ¿Cómo? No perdiendo de vista el producto, nuestros estudiantes. No regalando títulos. A veces pareciera que hasta los ingenieros hemos olvidado que no cualquiera puede ser ingeniero. No sólo se requiere vocación o deseos de serlo sino que también se requiere que las personas desarrollen una base de conocimientos, actitudes y habilidades que les permitan ayudar a resolver los problemas de la sociedad. Hay que culturizar a los ingenieros, a como dé lugar y se pueda, y aquí hay que ser imaginativo, pues prevalece la visión de que ser culto no es necesario al ingeniero, pero como ya se comentó la ingeniería moderna exige la interacción con profesionales de otras áreas y la cultura prepara al ingeniero para interactuar y entender otros espacios conceptuales. Esto abre la opción para que un ingeniero se convierta en un líder social al permitirle entender e interactuar socialmente en forma acertada. Hay que ser los líderes profesionales y sociales que México necesita. Como ingenieros, si no somos un buen ejemplo no podemos esperar que los ingenieros del futuro lo sean. Debemos convertirnos en buenos ejemplos. 8 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor Paola Gómez López, Virgilio González González, Marco Garza Navarro, Reynaldo Esquivel González Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-UANL Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo y Tecnología paolaggomez@gmail.com, virgilio.gonzalezgnz@uanl.edu.mx, ingmarcogarza@gmail.com, reynaldoegzz@gmail.com RESUMEN Se reporta la obtención de un material nanocompósito bifuncional (magnéticoluminiscente), por medio de una síntesis vía co-precipitación in situ. Las especies utilizadas son el polímero semiconductor de condensación aldólica poli-(4-metil1-fenilpenta-1,4-dien-ona) y un óxido de hierro, en forma de nanopartículas, las cuales fungen como matriz y fase dispersa. La caracterización de este nanocompósito se realizó por las técnicas de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM), espectroscopía de ultravioleta visible (U.V.-Vis), fluorescencia, infrarrojo y magnetometría de muestra vibrante (SQUID-VSM). Los resultados muestran que las partículas sintetizadas presentan morfología cuasiesférica con una distribución estrecha de aproximadamente 4.8 nm, presentando propiedades luminiscentes, optoelectrónicas que colocan como un semiconductor y características magnéticas de un material tipo ferromagnético. PALABRAS CLAVE Nanocompósitos, polímeros conjugados, co-precipitación, nanopartículas magnéticas. ABSTRACT We report the obtaining of a bifunctional nanocomposite material (magneticluminescent), by a synthesis via co-precipitation in situ. The species used in this synthesis are the semiconducting polymer by condensation aldolic poly(4-methyl-1-fenilpenta-1,4-dien-one) and an oxide of iron in nanoparticle, which act as matrix and dispersed phase. The characterization for the study of this nanocomposite was performed by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), spectroscopy of ultraviolet visible (UV/Vis), spectroscopy of fluorescence and vibrant sample magnetometry (VSM). The results show that the synthesized particles have quasi-spherical morphology with a narrow distribution of aprox. 4.8 nm, showing luminescent properties, optoelectronics that put this material how a semiconductor and with magnetic characteristics typical of a ferromagnetic material. KEYWORDS Nanocomposites, conjugated polymer, co-precipitation, magnetic nanoparticles. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 9 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor / Paola Gómez López, et al. INTRODUCCIÓN En la actualidad es cada vez mayor el interés por estudiar y desarrollar materiales nanoestructurados, aprovechando así sus propiedades únicas en nuevas y variadas aplicaciones. Las nanoestructuras tienen propiedades químicas, estructurales, y magnéticas únicas,1-8 con aplicaciones potenciales que incluyen: almacenamiento de información,9 imágenes a color, bio-procesamiento, refrigeración magnética10,11 y ferrofluidos.12-15 Es importante señalar que las nanopartículas no son termodinámicamente estables, siendo necesario aislarlas con matrices orgánicas o inorgánicas, teniendo como resultado la obtención de nanocompósitos donde es posible aprovechar tanto las propiedades particulares de las nanopartículas como las de la matriz en la cual se encuentran dispersas. La síntesis de sistemas de nanopartículas magnéticas es actualmente una línea de investigación científica de gran relevancia, en virtud de sus potenciales aplicaciones. 16-18 Una de las áreas de estudio más importantes es el desarrollo de materiales nanocompósitos magnéticos, debido a sus innumerables aplicaciones en la medicina y la electrónica. Reportes consultados muestran la posibilidad de utilizar núcleos de especies magnéticas recubiertos de polímero capaces de absorber moléculas de medicamento para utilizarse en sistemas de entrega localizada de medicamento.19-22 En la literatura se han encontrado diversas rutas de síntesis para la estabilización y el control de la dispersión en el tamaño de partícula, en los que destacan los métodos de sol-gel, precipitación y co-precipitación, donde cada uno de ellos se caracteriza por utilizar surfactantes orgánicos/o matrices poliméricas, ya que además de delimitar su crecimiento, estas matrices localizan su nucleación durante la síntesis,23 logrando el control de las dimensiones y morfología de las nanoestructuras resultantes. Específicamente, el desarrollo de materiales nanocompósitos utilizando como fase dispersa nanopartículas magnéticas, de diferentes fases de óxidos de hierro y matrices poliméricas, ha sido tema de numerosas publicaciones,24-28 debido a sus amplias aplicaciones en el área médica y electrónica. El polímero utilizado en esta síntesis se obtuvo de una condensación aldólica a partir de butanona 10 y tereftaldehído, este polímero destaca por ser fluorescente y sus propiedades optoelectrónicas lo colocan como un semiconductor, con conductividad del orden de 10-5 a 10-4 S/cm y anchos de banda prohibida de entre 2.21-2.39 eV.29 En virtud de todas las aplicaciones y propiedades que se pueden obtener a partir de nanocompósitos de matrices poliméricas y nanopartículas magnéticas, se ha desarrollado el nanocompósito entre un polímero semiconductor de condesación aldólica [poli-(4metil-1-fenilpenta-1,4-dien-ona)] y magnetita, a través de una metodología de síntesis por coprecipitación in situ. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Todos los reactivos y disolventes utilizados se adquirieron con grado reactivo (Sigma-Aldrich). Se desarrollaron 4 composiciones variando el porcentaje de concentración de la magnetita y el polímero. La tabla I muestra la composición de matriz y fase dispersa de cada muestra, así como el nombre asignado a cada una de estas. La síntesis de los nanocompósitos Polímero/Fe3O4 fue llevada a cabo utilizando cantidades estequiométricas de sales de cloruro férrico (FeCl3-6H2O) y cloruro ferroso (FeCl2-4H2O). Tabla I. Composiciones esperadas de los nanocompósitos. Nombre del Contenido de Contenido Fe3O4 material híbrido Polímero (% w/w) (% w/w) 75P-25Fe3O4 0.75 0.25 85P-15Fe3O4 0.85 0.15 90P-10Fe3O4 0.90 0.10 95P-05Fe3O4 0.95 0.05 100Fe3O4 0 100 100P 100 0 Para la síntesis del nanocompósito se disolvió en THF los precursores por separado, como sol.1 el polímero y como sol.2 las sales inorgánicas, en las proporciones necesarias para la obtención de nuevas disoluciones polímero/ Fe3O4 para la elaboración de cada una de las muestras de material que indica la tabla I. Una vez disueltas cada una de las soluciones se mezcló (sol. 1 y 2), obteniendo así una nueva solución polímero y sales de hierro en THF (sol. 3). Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor / Paola Gómez López, et al. Las disoluciones resultantes se vertieron en cajas Petri a fin de evaporar el disolvente bajo condiciones de temperatura ambiente. Una vez evaporado el disolvente, la muestra resultante se trató con una disolución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH, variando su concentración en relación con el contenido en peso de magnetita), con la finalidad de precipitar las nanopartículas de magnetita dentro de la matriz polimérica. Luego de ser tratadas con NaOH, las muestras se lavaron con agua desionizada en repetidas ocasiones y finalmente fueron secadas bajo condiciones ambiente. Ya secas, las muestras se pulverizaron para su caracterización. Las técnicas empleadas para la caracterización de las muestras fueron: IR, para esta caracterización las muestras se prepararon en comprimidos a partir de una mezcla de material a analizar y bromuro de potasio, se usó un espectrómetro Nicolet 6700 en la modalidad de transmitancia, realizando 32 barridos para cada espectro; para la caracterización por U.V.Vis. se usó un equipo Perkin Elmer modelo Lambda 35 por reflectancia difusa, utilizando una esfera de integración, en un intervalo de longitud de onda de 900 a 250 nm; la caracterización por fluorescencia se realizó en un equipo Perkin Elmer modelo LS 55 en un intervalo de longitud de onda de 800 a 250 nm, para su caracterización cristalina y morfológica se realizó microscopía electrónica de alta resolución (HRTEM), lograda en un microscopio TITAN FEI. Solo a una de las muestras le fueron evaluadas sus propiedades magnéticas en un magnetómetro Quantum Design PPMS-VSM. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La figura 1 muestra la apariencia de los materiales obtenidos por co-precipitación in situ, donde se puede observar que las muestras dejan ver una tonalidad poco brillante y oscura. Es importante mencionar que las muestras con mayor porcentaje de magnetita 75P-25 Fe3O4 y 85P-15 Fe3O4, mostraron propiedades magnéticas obvias, es decir, estas muestras son atraídas por un imán permanente. La figura 2, muestra los espectros FTIR obtenidos de las muestras b) 90P-10Fe3O4, c) 75P-25Fe3O4, incluyendo el espectro FTIR del polímero utilizado como matriz; como se puede apreciar en esta figura, hay dos regiones donde se observan corrimientos Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Fig. 1. Materiales nanocompósitos obtenidos por coprecipitación in situ: a) 75P-25 Fe3O4, b) 85P-15 Fe3O4, c) 90P-10 Fe3O4, d) 95P-05 Fe3O4. Fig. 2. Espectros FTIR de muestras obtenidas del a) polímero, b) 90P-10Fe3O4, c) 75P-25Fe3O4. en los espectros del nanocompósito con respecto al polímero puro, una región de los 3450 cm-1 correspondiente a grupos hidróxilo, y otra región a números de onda entre 420 y 700 cm-1.30 La figura 3 muestra la asignación de bandas (tabla II) y comparación con el espectro FTIR de Fig. 3. Espectros de infrarrojo correspondientes a: a) Polímero, b) Magnetita, c) Compósito 75P-25Fe3O4. 11 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor / Paola Gómez López, et al. Tabla II. Asignación de bandas de absorción del infrarrojo de los espectros del polímero, magnetita y el nanocompósito 75P-25Fe3O4.30 Grupo funcional OH CH3 Ar C=C C=O Fe3O4 Vibración Estiramiento O-H Estiramiento C-H Balanceo asimétrico C-H Estiramiento Ar-H Balanceo Ar-H para sustituido Balanceo del anillo fuera del plano Balanceo C-H sobre doble enlace cis Estiramiento C=C conjugado Cetona Aldehído Cristal Posición en Cm-1 75PPolímero Fe3O4 25Fe3O4 3475 3423 3382 2971 2971 2877 1456 3052 3025 2877 1456 3052 3025 827 827 534 422 978 978 1608 1608 1714 1655 1714 1655 675 570 la magnetita, el polímero y el nanocompósito; en los espectros se observa la presencia de grupos hidroxilo (banda ancha con pico entre 3382 y 3475 cm-1), indicando que la reacción de deshidratación de las β-hidroxicetonas no fue completada, por lo que considerando la presencia de grupos carbonilo aldehídicos (1655 cm-1) y cetónicos (1714 cm-1), podemos suponer que tenemos un copolímero de unidades estructurales con grupos cetona y otras βhidroxicetona (sin deshidratar) y con un buen número de grupo terminales aldehído.30 El hecho de que no se haya completado la condensación aldólica, puede considerarse como bueno, ya que se puede apreciar que el estiramiento OH, se mueve a mayores energías (menores números de onda) en el compósito, ya sea en relación a los O-H del polímero (Δ = 93 cm-1) o de la magnetita (Δ = 41 cm-1), indicando que se formaron puentes de hidrógeno entre el polímero y la magnetita de mayor fuerza de atracción que los que se forman entre moléculas de polímero o entre moléculas de magnetita, resultando así una contribución al control y estabilización del tamaño de las partículas de magnetita. 12 La figura 4 muestra los espectros de U.V.-Vis. del polímero y los compósitos de composiciones 75P25Fe3O4 y 90P-10Fe3O4; en esta figura se observa que las tres muestras denotan una banda cuyo máximo se encuentra aproximadamente a 394 nm, mientras que los dos compósitos presentan, además, un hombro con un máximo aproximadamente a 492 nm, sugiriendo la formación de un nuevo cromóforo o bien, nuevas transiciones electrónicas en el cromóforo correspondiente al polímero. Fig. 4. Espectros de U.V.-vis. de las muestras: a) Polímero, b) 75P-25Fe3O4,c) 90P-10Fe3O4. El cálculo del ancho de banda prohibida óptica (Eg), se realizó graficando el cuadrado de la absorbancia (que es proporcional al coeficiente de extinción) contra la longitud de onda expresada en unidades de energía. En la figura 5 se muestra un ejemplo de la gráfica y la extrapolación para el cálculo del ancho de banda prohibida. Fig. 5. Gráfica de la sección del espectro U.V.-vis. en forma de A2 vs E(eV), utilizada para el cálculo del ancho de banda prohibida de la muestra 75P-Fe3O4. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor / Paola Gómez López, et al. La tabla III reporta las magnitudes Eg encontradas para las muestras analizadas. Tabla III. Energías de banda prohibida (óptica), calculadas para el polímero y dos compósitos. Muestra polímero 75P-25Fe3O4 90P-10Fe3O4 ancho de banda prohibida nm eV 470 2.64 596 2.08 562 2.21 La figura 6 muestra los espectros de excitación y emisión del compósito 75P-25Fe3O4. Se aislaron dos transiciones, la primera, a bajas longitudes de onda que presentan dos máximos, tanto en excitación como en emisión, mientras que la segunda transición a grandes longitudes de onda, sólo muestra un máximo. Tanto en la figura 6 como en la tabla IV se reportan los máximos. La figura 7 muestra una imagen obtenida por HRTEM del compósito con 25% de magnetita. En esta figura se aprecian nanopartículas cuasi- Fig. 7. Imagen de HRTEM de la muestra 75P-25Fe3O4 a 145 kX. esféricas, y salvo algunas excepciones, la mayoría se encuentran dispersas en la matriz del polímero.31-33 De esta misma figura se calcularon los diámetros promedio de 141 nanopartículas, y se puede decir que la muestra 75P-25Fe3O4 es un nanocompósito formado por nanopartículas de diámetro promedio de 4.8 nm, y que las nanopartículas están en su mayoría, circundadas por la matriz, habiendo pocas partículas que coalecieron. En la figura 8 se muestran imágenes a altas magnificaciones de nanopartículas seleccionadas Fig. 6. Espectro de fluorescencia del nanocompósito 75P25Fe3O4. a.a’) excitación y emisión respectivamente de transición 1 y (b.b’) excitación y emisión respectivamente de transición 2. Tabla IV. Máximos de los espectros de emisión de magnetita, polímero y el compósito 75P-25Fe3O4. Muestra Magnetita Polímero 75P25Fe3O4 T1 T2 Excitación nm eV 273 4.54 465 2.66 2794.44342 3.62 458 2.70 Emisión nm eV 419 2.96 513 2.41 4842.56543 2.28 644 1.93 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Fig. 8. Imagen de HRTEM obtenidas para las muestras 75P-25 Fe3O4, que muestran en (a) la presencia de un arreglo regular de átomos a 620 kX. En (b) se muestra la imagen filtrada utilizando transformación de Fourier. El inserto mostrado en la figura (b) corresponde a la imagen filtrada en el plano de Fourier. El vector B corresponde al eje de zona de la imagen. 13 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor / Paola Gómez López, et al. de la muestra 75P-25Fe3O4. En la figura 8 (a) se aprecia, un arreglo regular de pequeñas esferas cuyas posiciones pueden interpretarse como las posiciones que ocupan los átomos que componen la nanopartícula. La figura 8 (b) corresponde a la imagen filtrada, mediante transformación de Fourier, de la zona indicada de la figura 8 (a), las distancias medidas entre los planos del arreglo son de aproximadamente 2.29 Å y 2.3 Å iguales a las reportadas para las familias de planos {222}, de 2.42, y {220}, de 2.97 Å, de la magnetita, respectivamente [véase JCPDS 19-0629]. La figura 9 muestra el lazo de histéresis magnética, (campo magnético en Oe), obtenido de la muestra 75P-25 Fe3O4 a una temperatura de 1.9 K. Como se observa en la figura, la curva muestra un comportamiento tipo ferromagnético, con una coercitividad Hc = 360.19 Oe, una remanencia de MR= 2.93 emu. Fig. 9. Lazo de histéresis obtenido de la muestra 75P-25 Fe3O4 a una temperatura de 1.9 K, en presencia de un campo magnético de 5 T. La razón de que la remanencia sea muy pequeña sugiere que la muestra exhibe importantes fenómenos de frustración magnética, que pudieran estar relacionados a la manera en que los espines se acoplan al interior de las nanopartículas, o inclusive a interacciones entre nanopartículas. La figura 10 muestra las curvas ZFC y FC de la magnetización en función de la temperatura, a un campo magnético constante de 100 Oe. La curva ZFC muestra un incremento en la magnitud de la magnetización a medida que la temperatura aumenta hasta llegar a un máximo, luego comienza a decaer. A bajas temperaturas, los espines se encuentran 14 Fig. 10. Curvas ZFC (círculos sólidos) y FC (círculos huecos) de la magnetización en función a la temperatura, obtenida de la muestra 75P-25 Fe 3O 4, a un campo magnético constante de 100 Oe. bloqueados en la dirección más energéticamente favorable, a medida que la temperatura aumenta, los espines comienzan a ser capaces de fluctuar lejos del eje preferencial de las nanopartículas, y de alinearse en el sentido del campo aplicado. Por lo tanto, el incremento progresivo de la magnetización en la curva ZFC corresponde a la relajación de los espines de las nanopartículas sobre su barrera energética, misma que, en promedio, es superada por todos los espines del sistema magnético a la temperatura en que la curva ZFC exhibe su máximo. La temperatura a la que ocurre el máximo de la curva ZFC puede atribuirse a la temperatura de bloqueo TB; para esta muestra TB = 124 K., a medida que la temperatura aumenta por encima de TB, la energía térmica agregada al sistema magnético supera el trabajo magnético realizado por el campo aplicado sobre los espines, y en consecuencia su orientación fluctuará lejos de la orientación impuesta por el campo. La magnetización entonces comenzará a decaer, en virtud de que la orientación de los espines no es dirigida por el campo aplicado, sino por las fluctuaciones térmicas asociadas a la energía térmica.34 Como se observa en la figura 10, existe una irreversibilidad entre las curvas ZFC y FC, en donde se observa un incremento de la magnetización de la curva FC hacia valores por encima del máximo de la curva ZFC; la irreversibilidad comienza a partir de aproximadamente 155 K. Esta irreversibilidad puede ser explicada como una respuesta conjunta de los espines de las nanopartículas de la magnetita, que se encuentran bloqueados en el sentido del Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor / Paola Gómez López, et al. campo aplicado, y la respuesta de los espines de una fase magnética desordenada, cuya orientación se encuentra congelada a temperaturas por debajo a la que ocurre la irreversibilidad, TF.35 Lo anterior permite concluir que se logró la obtención del nanocompósito de magnetita con matriz polimérica, a través de co-precipitación in situ; obteniendo así materiales bifuncionales (magnéticosluminiscentes) para posibles aplicaciones potenciales en el área médica y electrónica. CONCLUSIONES Se obtuvo mediante condensación aldólica de tereftaldehído y co-precipitación in situ, un nanocompósito de óxido de hierro, muy probablemente magnetita, en matriz de un polímero u olígomero semiconductor, con propiedades fluorescentes y magnéticas. Los materiales obtenidos mostraron anchos de banda prohibida o band gap óptico que los colocan como materiales semiconductores. La estabilización de las nanopartículas se da principalmente por interacciones puente hidrógeno entre la superficie de la magnetita y los hidróxilos residuales en el polímero producto de que la reacción de deshidratación no fue completa. Morfológicamente, el nanocompuesto que contiene 25% en peso de óxido de hierro muestra nanopartículas cuasi-esféricas bien dispersas en el polímero (diámetro medio: 4.8 nm), siendo éste un material cristalino semejante a la magnetita; este mismo nanocompuesto tiene un comportamiento ferromagnético con una temperatura de bloqueo de 124 K. REFERENCIAS 1. J. Eastman, J. 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Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Detección de fallas mediante el espacio de paridad continuo en un sistema de tres tanques Jesús Víctor Manuel Cid Medina, Efraín Alcorta García, César Elizondo González FIME-UANL chumiscm@yahoo.com , efrain.alcortagr@uanl.edu.mx , celizond@yahoo.com RESUMEN En este trabajo se propone una metodología para el diseño de un espacio de paridad para sistemas continuos. Una dificultad al utilizar procedimientos basados en muestras de las señales entrada-salida es que se reduce la cantidad de fallas que pueden ser localizadas con respecto al procedimiento equivalente en tiempo continuo. Un primer enfoque considerado en este trabajo para evitar esta desventaja consiste en utilizar un derivador de señales. Mediante un estimador de las derivadas de la entrada y la salida hasta de orden n, el esquema propuesto permite la detección y localización de fallas con al menos las mismas posibilidades que cuando se utiliza el método basado en observadores en tiempo continuo. PALABRAS CLAVES Detección de fallas, espacio de paridad, sistema continuo, tanques. ABSTRACT In this work, a methodology for the design of a space of parity for continuous systems is proposed. A difficulty when using procedures based on samples of the in-out signals is that is reduced the amount of faults that can be located with respect to the equivalent procedure in continuous time. A first approach considered in this work to avoid this disadvantage consists of using a derivator of the signals. By means of an estimator of derivates from the entrance and the exit until of order n, the proposed scheme allows the detection and location of faults with at least the same possibilities that when is used the method based on observers in continuous time. KEYWORDS Detection of faults, space of parity, continuous system, tank. INTRODUCCIÓN En el marco del diagnóstico basado en modelos, debido a los avances de la tecnología, las señales útiles para diagnóstico se encuentran frecuentemente disponibles en forma digital, es decir, la adquisición de datos incluye un proceso de muestreo. Por esto se requiere de métodos de diagnóstico que tomen en cuenta el proceso de muestreo. Uno de los primeros trabajos discutiendo el diagnóstico de sistemas muestreados fue introducido por (Viswanadham y Minto 1990.), en donde se proponen tres esquemas que están orientados principalmente para la Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 17 �Detección de fallas mediante el espacio de paridad continuo en un sistema... / Jesús Víctor Manuel Cid Medina, et al. detección de fallas. Recientemente, en (Rank 1998) un esquema óptimo (en un sentido definido en ese mismo trabajo) para el diagnóstico de sistemas muestreados fue propuesto. La consideración de incertidumbre en el diagnóstico de sistemas muestreados fue analizado en (Zhang et al., 2002). En (Fadali, 2003) se propone un esquema basado en observadores para el diagnóstico de fallas utilizando la técnica de “lifting” y combinando multi-muestreo. Como resultado se presenta un esquema que es robusto a entradas desconocidas. En (Izadi et al., 2005a), un esquema multi-muestreo con la característica de muestreo rápido para diagnóstico es propuesto. Lo anterior permite obtener la detección y aislamiento de fallas en periodos cortos de tiempo, de hecho, más cortos que los propuestos hasta la fecha. Una discretización de sistemas que es invariante a la norma para diagnóstico de fallas fue introducida en (Izadi et al., 2005b) y fue utilizada además para analizar el desempeño de diferentes métodos de detección de fallas en (Izadi et al., 2007). La consideración de muestreo rápido se utilizó también en el contexto de diagnóstico en (Zhong et al., 2006). Una solución basada en observadores con diseño óptimo y uso de la técnica de ‘’lift’’ fue propuesta en (Zhong et al., 2007) y otra basada en filtro de Kalman con muestreo no uniforme fue propuesto por (Li et al., 2008). En este caso el filtro es obtenido a partir de mediciones. Un repaso de los principales resultados relacionados con el diagnóstico de fallas de sistemas muestreados puede ser revisado en el trabajo (Zhang y Ding, 2008). Como es reconocido en (Izadi et al., 2007) y en (Zhang y Ding, 2008), los mejores resultados obtenidos hasta el momento cuentan con la limitación en el número de fallas que puede ser aislada (que resulta ser menor) con respecto a la contraparte continua. Lo anterior motiva la búsqueda de un método de diagnóstico basado en modelos que no cuente con la reducción del número de fallas que pueden ser localizadas, es decir, que pueda localizar al menos la misma cantidad de fallas que el que sería posible utilizando un procedimiento en tiempo continuo. En este trabajo se propone el uso de un estimador de las derivadas de la entrada y la salida y con 18 esto la construcción de un espacio de paridad de tiempo continuo. Como valor agregado se tiene que la limitación del número de fallas que puede ser localizado mediante la utilización de las muestras en el algoritmo de diagnóstico se relaja. Es decir, con el método propuesto es posible localizar al menos el mismo número de fallas que cuando se utiliza un esquema en tiempo continuo. PRELIMINARES El diagnóstico basado en modelos se realiza generalmente en dos etapas (Frank, 1990): primero se obtienen señales que dependen sólo de las fallas. Estas señales son idealmente cero en ausencia de fallas y diferentes de cero en otro caso. El segundo paso consiste en una evaluación de los residuos para poder extraer la información sobre las fallas. Para realizar esta tarea se utiliza una función de evaluación, así como un valor de umbral. El umbral es utilizado para evitar alarmas falsas cuando el residuo no es cero y hay ausencia de fallas. Esta situación puede ocurrir cuando dinámica no modelada o perturbaciones afectan al sistema bajo estudio. ESPACIO DE PARIDAD Una de las primeras referencias con un análisis en el espacio de estado para espacios de paridad fue considerado en (Chow y Willsky, 1984). Desde el punto de vista entrada-salida se puede revisar en (Gertler, 1998). En este trabajo utilizaremos una descripción convencional, la cual puede ser encontrada en (Frank, 1990), ver también (Ding, 2008). Considere un sistema lineal, invariante en el tiempo y discreto dado por: x (k + 1) = A x (k ) + B u (k ) + Ed d (k ) + E f f (k ) (1) y (k ) = C x (k ) + D u (k ) + Fd d (k ) + F f f (k ) (2) Donde x(k) es el estado de dimensión n, u(k) es el vector de entradas de dimensión p. Las matrices A,B,C,D,Ed, Ef ,Fd y Ff son constantes, conocidas y de dimensiones apropiadas. Suponer que el par (A,C) es observable y que rango (C)=m. Con la finalidad de obtener un generador de residuos suponemos primero que f(k)=0 y d(k)=0. Expresando y(k-s), con s≥n, en términos de x(k-s),u(k-s) y de igual forma y(k-s+1) en términos de x(k-s), u(k-s) y u(k-s+1), Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Detección de fallas mediante el espacio de paridad continuo en un sistema... / Jesús Víctor Manuel Cid Medina, et al. se forma una ventana de tiempo con los valores pasados de la entrada y la salida cuyo tamaño está en función del valor de s. El procedimiento se sigue sucesivamente hasta llegar a y(k) dando lugar a las siguientes matrices: ⎡ y(k − s) ⎤ ⎡ u(k − s) ⎤ ⎢ y(k − s + 1) ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ; u (k ) = ⎢u(k − s + 1) ⎥ y s (k ) = ⎢ ⎢ ⎥ s ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ y(k ) ⎦ ⎣ u(k ) ⎦ H O, s … 0 ⎤ ⎡ C ⎤ ⎡ D 0 ⎢ CA ⎥ ⎢ CB D ⎥ ⎥;H = ⎢ ⎥; =⎢ ⎢ ⎥ u, s ⎢ 0⎥ ⎢ s⎥ ⎢ S −1 ⎥ ⎣C A ⎦ ⎣C A B … C B D ⎦ con las cuales se obtiene la siguiente ecuación, que se conoce como relación de paridad: y s (k ) = H O, s x (k − s ) − H u, su s (k ) (3) Note que los vectores de entradas us(k) y de salidas ys(k) se forman con las mediciones y se suponen conocidas. Las matrices HO,s y Hu,s son constantes y formadas con las matrices del sistema, las cuales se suponen conocidas. La única variable desconocida es x(k-s). La idea básica de la relación de paridad es utilizar el hecho de que si s ≥ n entonces rango (HO,s)=n < # de renglones de HO,s, con lo cual existe al menos un vector renglón vs ≠ 0 de dimensión(s+1)m tal que v s H O, s = 0 (4) Así el generador de residuos basado en relaciones de paridad está construido por: r (k ) = vs (y s (k ) − H u, su s (k )) = 0 (5) Los vectores que satisfacen (5) son llamados vectores de paridad y a ese conjunto se le conoce como espacio de paridad de orden s-ésimo. Al considerar el efecto de las perturbaciones y fallas en el residuo ahora se considera f(k)≠0 y d(k)≠0, obteniendo, adicionalmente, las siguientes matrices: ⎡ f (k − s) ⎤ ⎡ d (k − s) ⎤ ⎢ f (k − s + 1) ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ; d (k ) = ⎢ d (k − s + 1) ⎥ f s (k ) = ⎢ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ f (k ) ⎦ ⎣ ⎣ f (k ) ⎦ Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 H f ,s 0 ⎡ Ff … 0 ⎤ ⎢ CE F ⎥ f f ⎥; =⎢ ⎢ 0⎥ ⎢ S −1 ⎥ ⎢⎣C A E f … C E f F f ⎥⎦ H d ,s 0 … 0 ⎤ ⎡ Fd ⎢ CE F ⎥ d d ⎥ =⎢ ⎢ 0⎥ ⎢ S −1 ⎥ ⎢⎣C A Ed … C Ed Fd ⎥⎦ ESTIMADOR DE LA DERIVADA El estimador de la derivada fue tomado de (Vasiljevic y Khalil, 2008), en el cual un observador de alta ganancia es utilizado como diferenciador y es representado por las siguientes ecuaciones: i x = A x + Bu ⎡ −á1 ⎡ á1 ⎤ 1 … 0 ⎤⎥ ⎢ ⎢ ε ⎥ ε ⎢ −á1 ⎥ ⎢ á1 ⎥ 0 2 A=⎢ ⎥ ; B = ⎢ ε2 ⎥ ε ⎢ ⎢ ⎥ 1⎥ ⎢− án ⎥ ⎢á n ⎥ … 0 … ⎥⎦ εn ⎣⎢ ⎣⎢ ε n ⎦⎥ donde el polinomio característico de  es Hurwitz. La función de transferencia de u a x cuando ε tiende T a cero está dada por: T (s ) = ⎡⎣1s … s n − 2 s n −1 ⎤⎦ de manera que asintóticamente conforme ε→0, el sistema descrito anteriormente actúa como diferenciador bajo la consideración de que la entrada u es continua y diferenciable. La selección de la variable ε es de suma importancia en el diseño del derivador sobre todo en señales con ruido. De manera experimental se sabe que al elegir un valor muy pequeño de ε para una entrada libre de ruido mejora de manera significativa la estimación de la derivada, sin embargo, si la señal de entrada está sujeta a ruido, la estimación no será tan buena como en el caso anterior debido al efecto que el derivador tendrá sobre el ruido de la señal. En este caso la selección de ε se vuelve crítica y entonces se busca un valor de ε que proporcione una buena estimación aún si la señal no está libre de ruido. El valor de ε utilizado en el ejemplo de la sección V es de 0.3. 19 �Detección de fallas mediante el espacio de paridad continuo en un sistema... / Jesús Víctor Manuel Cid Medina, et al. ESPACIO DE PARIDAD PARA SISTEMAS CONTINUOS De manera similar a como se realizó el espacio de paridad para sistemas discretos es posible el diseño del espacio de paridad para sistemas continuos. Se considera el siguiente sistema lineal e invariante en el tiempo: x(t ) = A x (t ) + B u (t ) + Ed d (t ) + E f f (t ) (9) y (t ) = C x (t ) + D u (t ) + Fd d (t ) + F f f (t ) (10) Al igual que para el caso discreto x(t) es el estado de dimensión n, u(t) es el vector de entradas de dimensión p. Las matrices A,B,C,D,Ed,Ef,Fd y Ff son constantes, conocidas y de dimensiones apropiadas, también se supone que el par (A,C) es observable y que rango (C)=m. El desarrollo que se sigue, en este caso, para obtener el generador de residuos es muy similar al caso discreto, solo que aquí se utilizan las derivadas de la entrada y la salida del sistema en instantes definidos de tiempo, en lugar de mediciones anteriores de la entrada y la salida como se analizó. Las suposiciones que se hicieron en el caso discreto son idénticamente utilizadas y removidas para el caso continuo, generándose así un conjunto de matrices que también son idénticas a las obtenidas para el caso continuo. De este modo la relación de paridad para el caso continuo, al considerar perturbaciones y fallas, está dada como: y s (t )= H O, s x (t )− H u, su s (t )+ H f , s f s (t )+ H d , s d s (t ) (11) Y el generador de residuo como: rs (t ) = vs (H f , s f s (t ) + H d , s d s (t ) ) (12) EJEMPLO DE APLICACIÓN Como ejemplo para la construcción de un espacio de paridad continuo, se considera un sistema de tres tanques interconectados como el que se muestra en la figura 1, una descripción detallada puede ser encontrada en (Ding, 2008). El modelo no lineal se obtiene aplicando directamente las leyes de Torricelli, tomando en cuenta los flujos de entrada y salida de cada tanque. Para el diseño del espacio de paridad se utiliza un modelo linealizado alrededor de un punto de operación h1=45cm,h2=15cm y h3=30cm y está dado 20 Fig. 1. Sistema de tres tanques. por: x(t ) = A x (t ) + B u (t ) (13) y (t ) = C x (t ) (14) Donde el vector de estados x(t) corresponde al nivel de cada tanque y también son la salida del sistema. Las matrices de distribución son: 0 0.0085 ⎤ ⎡− 0 . 0 0 8 5 A=⎢ 0 −0.00195 0.0084 ⎥; ⎢⎣ 0 . 0 0 8 5 0.0084 − 0 . 0 1 6 9 ⎥⎦ 0 ⎡0 . 0 0 6 5 ⎤ ⎡1 0 0 ⎤ B=⎢ 0 0 . 0 0 6 5⎥ ; C = ⎢ 0 1 0 ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎢⎣ 0 0 1 ⎥⎦ 0 0 El espacio de paridad es llevado a cabo mediante el procedimiento visto en la sección IV. Se consideran únicamente dos derivadas de la entrada y la salida, logrando obtener un generador de residuo basado en la relación de paridad, donde y s (t )∈R 9 x1, u s (t )∈R 6 x1 y H u,2∈R 9 x6. Tomando en cuenta las dimensiones de estas matrices, es claro que el vector de paridad tiene las siguientes dimensiones v ∈R1x9. La s implementación es llevada a cabo mediante Matlab Simulink obteniendo los resultados que se muestran enseguida. En la figura 2 se aprecia la salida de cada uno de los tanques sin considerar el efecto de las fallas. Los niveles de cada uno de ellos se localizan perfectamente en el valor deseado de acuerdo al punto de operación especificado anteriormente. En la figura 3 se aprecia la señal residual obtenida. De esta última se puede notar que después de un tiempo transitorio, relativamente pequeño, la variable de residuo tiende a un valor muy cercano a cero, lo cual significa que el generador de residuo obtenido tiene un buen funcionamiento y entonces se considera un sistema con fallas en el sensor uno y bomba uno, que corresponden al primer tanque. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Detección de fallas mediante el espacio de paridad continuo en un sistema... / Jesús Víctor Manuel Cid Medina, et al. Fig. 4. Salidas del sistema con falla en sensor uno. Fig. 2. Nivel de cada tanque. mantenga en su punto de operación. Así el generador residual tiene un valor diferente de cero justamente en el segundo en que ocurre la falla tal como se muestra en la figura 5. Fig. 3. Señal de residuo para un caso sin falla. El sistema lineal tomando en cuenta el efecto de posibles fallas en actuadores y sensores es el que se muestra a continuación: x (t ) = A x (t ) + B u (t ) + E f f (t ) (15) y (t ) = C x (t ) + F f f (t ) (16) Donde ⎡ f1 ⎤ E f = [0B ]∈ R 3x5 , F f = [I 3x3 0]∈ R 3x5 y f = ⎢ ⎥ ⎢⎣ f 5 ⎥⎦ El generador de residuo que se obtiene en este caso tiene la forma de la ecuación (12) y se implementa de la misma manera que para el caso sin falla. Los resultados de simulación se presentan a continuación. Como puede apreciarse en la figura 4, la falla ocurre en el sensor uno en el segundo 10 y se manifiesta por medio de un cambio en el nivel del tanque uno, el cual hace que el sistema no se Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Fig. 5. Residuo cuando hay falla en sensor uno. Cuando la falla ocurre en una de las bombas, el generador de residuo responde ante la misma en el instante en que dicha falla se presenta. Una falla en la bomba uno ocurre en el segundo 40 apareciendo inmediatamente en la salida como se ve en la figura 6, en tanto que el generador de residuo que se aprecia en la figura 7 refleja el efecto de dicha falla sobre el sistema. Cabe mencionar que el generador de residuos puede ser diseñado de tal forma que sea sensible o robusto a determinadas fallas, es decir, siendo robusto a la falla uno no será alterado el valor del generador de residuo aunque se presente una falla en el sensor uno, mientras que el resto de las posibles fallas sí serán detectadas en caso de presentarse. 21 �Detección de fallas mediante el espacio de paridad continuo en un sistema ... / Jesús Víctor Manuel Cid Medina, et al. De igual manera, en las figuras 10 y 11 se aprecia la salida del tanque uno y la señal de residuo respectivamente. Fig. 6. Falla en la bomba uno. Fig. 8. Salida del tanque uno en la presencia de ruido. Fig. 7. Residuo cuando hay falla en bomba uno. Los resultados presentados anteriormente están sujetos a la consideración de que las salidas son ideales o están libres de ruido, lo cual en caso real no es verdad. Por lo anterior a continuación se toma en cuenta una componente pequeña de ruido en la salida simulando el efecto que se presentaría en los niveles de los tanques al momento de ser llenados por las bombas uno y dos en un caso real. En la figura 8 puede verse como el nivel del tanque uno se ve ligeramente afectado por un poco de ruido. En la misma figura también se aprecia un incremento de nivel en el segundo10, que se traduce en una falla del sensor en este instante de tiempo. La figura 9 muestra la señal de residuo para el caso mencionado anteriormente, que a pesar de tener bastante ruido es apreciable un cambio en el segundo 10. 22 Fig. 9. Señal de residuo ante la falla en tanque uno. Fig. 10. Salida en tanque uno con falla en bomba uno. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Detección de fallas mediante el espacio de paridad continuo en un sistema ... / Jesús Víctor Manuel Cid Medina, et al. Fig. 11. Señal de residuo ante la falla en bomba uno. CONCLUSIONES En este trabajo se considera el diseño de espacios de paridad para sistemas continuos mediante la estimación de derivadas de señales. Se utiliza un observador de alta ganancia propuesto recientemente como estimador de derivadas de señales, el cual cuenta con buenas propiedades respecto al ruido. El diseño de espacio de paridad para sistemas continuos es semejante al que se realiza en el caso discreto, sólo la implementación es distinta. Con el procedimiento utilizado se logran los resultados de localización sin las limitaciones que se tienen cuando se discretizan las ecuaciones continuas. REFERENCIAS 1. Chow, E. Y. y A. S. Willsky (1984). Analytical redundancy and the design of robust failure detection system. IEEE Trans. On. Autom. Control AC-29(7), 603-614. 2. Ding, S.X.(2008). Model-based fault diagnosis techniques. Springer. 3. Fadali, M. S. (2003). Observer-based robust fault detection of multirate linear system using a lift reformulation. Computers and Electrical Engineering 29, 235-243. 4. Frank, P.M. (1990). Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 redundancy – a survey. Automática 26,459-474. 5. Gertler, J. (1998). Fault detection and diagnosis in engineering systems. Marcel Dekker. New York. 6. Izadi, I., Q. Zhao y T. Chen (2005a). An optimal scheme for fast rate fault detection based on multirate sampled data. Journal of Process Control 15, 307-319. 7. Izadi, I., Q. Zhao y T. Chen (2007). Analysis of performance criteria in sampled-data fault detection. Systems & Control letters 56, 320-325. 8. Izadi, I., Q. Zhao y T. Chen (2005b). Norm invariant discretization for sampled-data fault detection. 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En la parte I se analizó el caso de Cementos Hidalgo, S.C.L. y en la parte II se describe la creación de otras empresas y las fusiones que llevaron a la creación y desarrollo de Cementos Mexicanos. PALABRAS CLAVE Cemento, Nuevo León, México, Industria, Pioneros. ABSTRACT The cement industry of the Nuevo Leon state of Mexico, as a globalised company, currently is the leader in cement production in Mexico and North America, and one of the largest at world-wide level. In this article the beginnings of this industry, its pioneers, and the conditions that allowed to survive crisis are described. In part I the case of Cementos Hidalgo was analyzed and in this part II, the creation of other companies and the fusions that hade as a result the creation and development of Cementos Mexicanos are described. KEYWORDS Cement, Nuevo Leon state, Mexico, Industry, Pioneers. INTRODUCCIÓN1 Cementos Mexicanos es en la actualidad un grupo industrial fabricante de cemento, concretos y otros productos; maneja empresas de servicios y bienes de capital. Ocupa el liderazgo en la producción y comercialización del cemento en Norteamérica y el cuarto lugar mundial en ese giro industrial. Como empresa Cementos Mexicanos se constituyó el 2 de febrero de 1931, nació de la fusión de dos plantas: Cementos Hidalgo (1906) y Cementos Portland Monterrey, S. A. (1920). Como planta fabril su origen fue esta última. Como grupo industrial, Cementos La primera parte de este Mexicanos (Cemex) se fue conformando en un proceso de expansión. A nivel artículo se publicó en el local, con las plantas mencionadas más Cementos del Norte, S. A. (fundada número 49 de INGENIERÍAS. 24 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Pioneros de la industria del cemento en Nuevo León, México / Javier Rojas Sandoval en 1947); a nivel nacional e internacional, con la adquisición de otras plantas cementeras.2 Desde la perspectiva histórica, puede afirmarse que con la fundación de Cementos Mexicanos, en febrero de 1931, se unieron dos generaciones fabriles: la pionera de la primera generación, Cementos Hidalgo y la pionera de la segunda generación, Cementos Portland Monterrey, de las cuales se formó Cemex, como una síntesis de las anteriores. F Á B R I C A D E C E M E N TO Y T I E R R A S REFRACTARIAS El año de 1905 Vicente Ferrara, accionista de la Fundidora Monterrey, emprendió el proyecto de instalar una planta productora de cemento aprovechando la escoria de la fábrica acerera para producir cemento siderúrgico.3 Tecnológicamente el proyecto consistía en el uso de la escoria del alto horno mezclada con una pequeña parte de clinker,4 para con ello obtener el llamado cemento siderúrgico.5 La planta cementera promovida por Vicente Ferrara se construyó entre 1905 y 1906, bajo la razón social de Fábrica de Cemento y Tierras Refractarias. El 27 de junio de 1906, los inspectores del gobierno encargados de levantar el reporte sobre el estado de las instalaciones de la fábrica informaban que la planta se encontraba establecida al norte de la ciudad (lugar que ocupa actualmente la planta Monterrey de Cemex). Un segundo reporte fechado el mes octubre de 1907 aseguraba que según libros, el señor Ferrara había invertido hasta entonces la suma de 262,193.51 pesos.6 (Ver tabla I). Vicente Ferrara Ferrigno [1857-1976]. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Fallas de carácter técnico impidieron la realización y progreso del proyecto de la planta, debido a que el proceso de enfriamiento utilizado por el Horno Alto No. 1 de la Fundidora Monterrey impedía obtener escoria con las propiedades requeridas para producir cemento. La maquinaria y terrenos de la Fábrica de Cemento y Tierras Refractarias fueron comprados años después por la familia Zambrano, propietaria de Cementos Monterrey. Posteriormente, cuando fue inaugurado el Horno No. 2 de la Fundidora Monterrey —cuya escoria tenía las cualidades técnicas requeridas—, los empresarios de Cemex retomaron la idea de producir cemento siderúrgico, para lo cual montaron una fábrica con la razón social de Cementos del Norte. El inicio de la década de los veinte fue un tiempo en el que Monterrey reorganiza su economía y principalmente su industria, después de los borrascosos años revolucionarios. Sin embargo, los enfrentamientos armados no afectaron el crecimiento de la población. En 1921 Monterrey tenía 7,500 habitantes más que en 1910. En la década siguiente la población creció mucho más. Un hecho de particular significación que tuvo lugar durante la década de los veinte fue la modernización urbana de Monterrey. Tabla I. Fábrica de Cemento y Tierras Refractarias Inversiones a octubre de 1907 Terrenos y aguas 14,604.50 Maquinaria 66,715.36 Vías férreas 14,114.75 Corral 290.06 Muebles y enseres 400.64 Laboratorio 1,890.89 Carbón menudo 11,188.00 Carbón gas 5,595.62 Edificios 58,871.57 Horno de cal 1,296.37 Escoria 26,859.16 Cal 10,270.52 Almacén 50,096.07 Fuente: AGENL, Concesiones, Exp. 20 / 4, octubre 30 de 1907.3 25 �Pioneros de la industria del cemento en Nuevo León, México. / Javier Rojas Sandoval Fue en esos años que las autoridades de la ciudad emprendieron la rectificación, ensanchamiento y prolongación de las principales calles de la capital regia. También se inició una campaña de destejabanización del centro de la ciudad. El alcalde giró órdenes a los propietarios de tejabanes ubicados en las avenidas: Madero, Diego de Montemayor y Álvarez, para que en treinta días desmontaran los tejabanes y los sustituyeran por construcciones modernas. Como los propietarios se negaron, la autoridad procedió a utilizar bulldozers para acabar con las feas construcciones. Al mismo tiempo se inició un programa de pavimentación a cuenta de los vecinos. Por otra parte, el terrado fue sustituido por la loza de concreto. Hizo su aparición el block que desplazó al adobe. Asimismo se dio principio a la construcción de grandes edificios: la Escuela Industrial Álvaro Obregón (1928), el Palacio Federal (1928), la Escuela Monumental José Joaquín Fernández de Lizardi (1927). En la misma década de los veinte se construyeron las casas de la colonia El Mirador. En suma, el decenio comprendido entre 1920 y 1930 fue un tiempo favorable para la industria de la construcción.7 CEMENTOS PORTLAND MONTERREY En el marco de ese contexto, en 1920, la familia Zambrano tomó la iniciativa para fundar la empresa Cementos Portland Monterrey, fábrica que habría de convertirse en el eje central del grupo Cemex, constituido a principios de la década de los treinta.8 (Ver tabla II). Lorenzo H. Zambrano Gutiérrez [1888-1935]. 26 Tabla II. Accionistas fundadores de Cementos Portland Monterrey 1920 Nombre Aportación (pesos) Lorenzo H. Zambrano 2,920 Alberto Zambrano 300 Adolfo Zambrano Sr. 300 Adolfo Zambrano Jr. 300 Salvador E. Zambrano 300 Eugenio Zambrano 127 José Zambrano G. 126 Salvador Madero 800 Alfonso Madero 767 Santiago Belden 225 José A. Treviño 95 Gustavo L. Treviño 80 Lic. Elías Villarreal 60 Total 6,400 Fuente: Juan Ignacio Barragán, op. cit., p. 24. 2 Para la década de los veinte la fábrica de cemento instalada en el municipio de Hidalgo, propiedad del norteamericano J. Brittingham contaba con la experiencia de más de una década de estar operando. Durante esos años había demostrado el éxito y las buenas perspectivas de la industria cementera en la región. Su capacidad inicial de operación había sido de 36 mil toneladas, a pesar de lo cual comenzó produciendo solamente 600 toneladas al año. Sin embargo, entre la segunda mitad de los años veinte y principios de los treinta la cementera hidalguense alcanzaba ya las veinticinco mil toneladas al año. Con esos antecedentes se funda Cementos Monterrey. Para explicar su fundación debe tomarse en cuenta otro factor de particular significado. Por esos años la familia Zambrano poseía en propiedad grandes extensiones de terrenos en el municipio de Abasolo, cercano a Hidalgo donde se localiza la otra planta cementera. Una particular importancia tenía Abasolo: ser depositario de grandes recursos de arcilla y caliza, básicos para la fabricación del cemento de este tipo. La familia Zambrano poseía en esos tiempos la empresa Compañía Agrícola Abasolo, la cual estaba integrada por las propiedades rústicas: La Muralla, San Nicolás de los Ligueros, Tripona y Laborcitas. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Pioneros de la industria del cemento en Nuevo León, México / Javier Rojas Sandoval El Porvenir 1 Nov 1923. Los Zambrano tenían una destacada presencia en el mundo fabril y empresarial de Nuevo León. Dos socios con esos apellidos aparecen como promotores de la Fundidora Monterrey en sus inicios: Adolfo Zambrano y Onofre Zambrano.9 El primero figura como accionista de la planta cementera. El autor de la iniciativa empresarial cementera fue Lorenzo H. Zambrano, quien adquirió la maquinaria, los terrenos y edificios de la antigua Fábrica de Cementos y Productos Refractarios. El contrato de compra-venta estableció un precio de 180 mil pesos oro, a ser cubiertos en el transcurso de una década, al seis por ciento de interés anual. La empresa nació como proyecto familiar, con la participación destacada de dos miembros de otra influyente familia de empresarios: los Madero. La compañía se constituyó el 28 de mayo de 1920, bajo la razón social de Cementos Portland Monterrey, S. A. Inició con un capital de 6,400 pesos oro, distribuidos en títulos de cien pesos. En vista de que la planta adquirida no contaba con el horno rotatorio y otros equipos necesarios para producir el cemento, los nuevos inversionistas contrataron los servicios de la empresa estadounidense Curting, Dugglas Engineering Co., la que proporcionó a un costo de 186,482 dólares el horno rotatorio, enfriadora, trituradora y refacciones para los molinos existentes. Asimismo se instaló el moderno horno Allis Chalmers, de 125 pies de largo y diez de diámetro, con 45 mil toneladas anuales de capacidad. Desde sus inicios el desarrollo de la empresa fue muy dinámico. Al año siguiente de haber sido constituida, se duplicó el capital inicial. Lo cual se debió a diversos trabajos realizados en Abasolo, Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 así como a la compra de los nuevos equipos, su instalación y desembolsos en la administración. En un contexto caracterizado por problemas derivados de la situación posrevolucionaria que afectaba la economía nacional, la eficiencia en las comunicaciones y la depresión del consumo, el primer año de operaciones de Cementos Portland Monterrey no fue del todo exitoso. En ocho meses produjo solamente ocho mil toneladas, cantidad muy inferior a su capacidad instalada. A pesar de las adversidades, el esfuerzo de los empresarios y la comunidad laboral de la planta cementera fue reconocido desde los primeros años. En 1923 y 1924, Cementos Portland Monterrey fue premiada con medallas de plata y oro. La primera otorgada en la Exposición Internacional de Río de Janeiro, Brasil. La segunda, el Gran Premio obtenido el año de 1924 en la Exposición Universal de Sevilla, España. Con el cemento producido en la planta se construyeron los edificios Langstroth y el Casino Monterrey. También la presa Mexquitic y otras construcciones en la ciudad de Tampico, Tamaulipas. CEMENTOS MEXICANOS, S.A. Como se dijo al principio, Cementos Mexicanos fue producto de la fusión de las empresas Cementos Monterrey y Cementos Hidalgo, las cuales habían mantenido una fuerte competencia por varios años. Luego de una larga negociación entre las dos administraciones, lograron ponerse de acuerdo y firmaron el acta constitutiva de la nueva compañía el 2 de febrero de 1931. En los años previos al acto de fusión, ambas empresas habían logrado avances significativos, tanto en producción como en ventas. Tres años antes, la planta instalada en Monterrey operaba al sesenta por ciento de su capacidad. En 1930 había logrado realizar noventa por ciento de sus ventas totales. La cementera hidalguense, a pesar de los problemas derivados de la revolución y de que apenas había reiniciado las operaciones en 1921, registraba resultados positivos en utilidades. En los primeros tiempos que funcionaron independientes, las administraciones de ambas 27 �Pioneros de la industria del cemento en Nuevo León, México / Javier Rojas Sandoval empresas entraron en una dura competencia, con resultados desfavorables para las dos fábricas. Con motivo de las obras del Casino Monterrey y con el propósito de obtener el contrato, vendieron a precios por abajo de los costos de producción. Al final, ambas administraciones decidieron superar las rivalidades mediante acuerdos consistentes en el establecimiento de pactos cuyo propósito consistió en el reparto del mercado y la unificación de precios favorables. No obstante lo anterior, siguieron presentándose conflictos por desacuerdos. En aras de superar las fricciones entre los dos consejos de Administración, se planteó la necesidad de solucionar de manera definitiva la rivalidad y la competencia. Dentro de las posibles soluciones se consideró la idea de cambiar de lugar alguna de las dos las plantas; lo cual resultaba muy costoso, además de complicado logísticamente. La otra alternativa era la fusión, que se veía como más viable y con mayores perspectivas de éxito, tomando en cuenta que solamente era una solución administrativa. El presidente del Consejo de Administración de la planta cementera instalada en el municipio de Hidalgo tenía particular interés en encontrar una solución definitiva. Proyectaba dedicarle mayor atención a otros negocios, en particular, a los planes empresariales de sus hijos, quienes se habían propuesto montar una fábrica de jabón en Mexicali. Ante tal perspectiva se dispuso a entablar negociaciones con la empresa norteamericana International Cement Corporation (Lone Star) a fin de venderle su participación en Cementos Hidalgo. Por otra parte J. F. Brittingham tenía buenas relaciones con los hombres que manejaban el naciente sistema político mexicano revolucionario. En acuerdo con el entonces presidente de la república, Plutarco Elías Calles, el empresario cementero tenía proyectado montar una planta de cemento en el estado de Sinaloa, en Culiacán. El otro contacto era Abelardo L. Rodríguez, gobernador de Baja California Norte de 1923 a 1929, quien combinaba exitosamente la administración pública con los negocios privados. Siendo él mismo un importante empresario, se distinguió por las facilidades otorgadas a los inversionistas. Con él, J. F. Brittingham se proponía formar una sociedad conjuntamente con la International Cement Corporation (Lone Star). 28 John F. Brittingham [1859-1940]. Los propietarios de Cementos Monterrey tenían planes que no contemplaban trasladar la planta cementera a otro lugar fuera de Monterrey por el auge que estaba tomando la industria de la construcción en Nuevo León y los estados vecinos. Un factor adicional que habría de consolidar los proyectos industriales de la familia Zambrano fue la creación de una compañía encargada de introducir el gas para la industria regiomontana; proyecto en el cual sumaría esfuerzos otro empresario, capitán de la industria nuevoleonesa, don Roberto Garza Sada, gerente de la Vidriera Monterrey en esos años. El gas es de primera importancia tanto para la industria del vidrio como para la cementera; ambas requieren de grandes cantidades de energía para los hornos que emplean en sus procesos industriales. Los esfuerzos por conseguir el gas se iniciaron cuando los empresarios regiomontanos fundaron la compañía Gas Industrial de Monterrey, S. A. Empresa que tendría la misión en un principio de traer el energético de los yacimientos texanos. La sustitución del combustóleo por el gas natural fue un paso decisivo para el desarrollo de las plantas cementeras nuevoleonesas: la instalada en Hidalgo y la de Monterrey. Según los cronistas de la cementera hidalguense, el energético no se introdujo en esa planta hasta la década de los cincuenta. La línea que conduciría el gas de Monterrey a Hidalgo se inauguró el 29 de julio de 1952. Más de veinte años después de la fusión de ambas cementeras. El 2 de febrero de 1931 se firman los estatutos de la nueva compañía bajo la razón social: Cementos Mexicanos, S. A. Entre ambas empresas el capital sumaba 4.4 millones de pesos. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Pioneros de la industria del cemento en Nuevo León, México / Javier Rojas Sandoval De las veinte carteras, doce posiciones quedaron en manos de los hombres de Cementos Hidalgo; las restantes ocho fueron para Cementos Monterrey. Si bien J. F. Brittingham conservaba el importante puesto de presidente de la sociedad, éste era de carácter honorífico. En tanto que Lorenzo Zambrano retenía la cartera de presidente ejecutivo y otro Zambrano asumía la tesorería del Consejo de Administración. (Ver tabla III). Cinco años antes de que se diera la fusión, el año de 1926, la cementera de Hidalgo producía veinticinco mil toneladas. En el año de la fusión la cantidad se redujo a solamente 12,342 toneladas. En cambio Cementos Monterrey, un año antes de la constitución de Cemex, produjo poco más de cuarenta mil toneladas. Una vez constituida la nueva sociedad anónima, la producción de las plantas fusionadas cayó hasta un cuarto de su capacidad real. Las ventas disminuyeron. Todo ello a consecuencia de la caída del mercado cementero. El año más desfavorable fue Tabla III. Primer Consejo de Administración de Cementos Mexicanos, 1931. Nombre Puesto John F. Brittingham Presidente honorario Lorenzo H. Zambrano Presidente ejecutivo Mariano Hernández Vicepresidente Matías Elizondo Secretario Adolfo Zambrano Tesorero Rodolfo J. García 1er. vocal Rodolfo M. Garza 2o. vocal Fritz N. Niggli 3er. vocal José Zambrano Gutiérrez 4o. vocal Antonio Muguerza 5o. vocal Víctor de Lachica 6o. vocal José Zurita 7o. vocal Guillermo Zambrano 8o. vocal Ing. Jorge Muñoz Prisciliano Elizondo el de 1932 cuando la producción de las dos plantas no alcanzó a igualar la realizada por una sola de ellas —la de Monterrey— en 1930. La recuperación de la demanda fue lenta; no se lograron superar los años malos hasta después de 1933. (Ver tabla IV). Como consecuencia de la drástica caída de la demanda, la administración de Cementos Mexicanos decidió cerrar la planta del municipio de Hidalgo. Esta acción tuvo consecuencias negativas para la población, al ser la planta cementera la principal fuente de empleo de la comunidad hidalguense. El proceso de expropiación de la planta cementera de Hidalgo10 por parte del gobierno del general Lázaro Cárdenas, tuvo las siguientes características y momentos: A finales de 1934 un grupo de antiguos trabajadores organizados por líderes sindicales foráneos tomaron posesión de la planta cementera. Unos meses después, recién iniciada la presidencia del general Lázaro Cárdenas, empezaron a recibir apoyo del gobierno federal. En ese corto lapso, la incautación de la unidad Hidalgo de Cementos Mexicanos pasó a convertirse en un tema importante de la política nacional. Aunque los estudios económicos realizados por especialistas gubernamentales determinaban que Cementos Hidalgo debería mantenerse cerrada hasta que no se incrementara el consumo de cemento en la región, el criterio político privó sobre la racionalidad económica y condujo a la autoridad a establecer la expropiación de la fábrica. En 1936, la empresa fue evaluada en 1’500,000 pesos y los asesores gubernamentales propusieron que se creara una sociedad cooperativa limitada Tabla IV. Producción (1930-1935) de Cementos Monterrey, Cementos Hidalgo y Cementos Mexicanos Año Planta Producción miles de toneladas 9o. vocal 1930 Cementos Monterrey 40,151 1er. vocal suplente 1931 Cementos Hidalgo 12,342 Jesús Barrera 2o. vocal suplente 1931 Cementos Monterrey 26,188 Eduardo G. Brittingham 3er. vocal suplente 1932 Cementos Mexicanos 31,050 Thomas Williams 4o. vocal suplente 1933 Cementos Mexicanos 45,074 Fritz F. Niggli Comisario propietario 1934 Cementos Mexicanos 62,306 Carlos V. Ávila Comisario suplente 1935 Cementos mexicanos 52,449 Fuente: Juan Ignacio Barragán, op. cit., p. 34.2 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Fuente: Juan Ignacio Barragán, op. cit.2 29 �Pioneros de la industria del cemento en Nuevo León, México / Javier Rojas Sandoval para dirigir la empresa. Tras varios meses de negociaciones, durante los cuales Cementos Mexicanos siempre se opuso a la expropiación, el primero de abril de 1937 quedó establecida la Cooperativa de Cementos Hidalgo, S. R. L. y se iniciaron los preparativos para volver a producir. El gobierno cardenista hizo con Cementos Hidalgo un experimento para probar su ley de expropiación; misma que utilizó con toda su intensidad meses más tarde, al expropiar la totalidad de la industria petrolera. Por otra parte, el gobierno tardó ocho años, hasta abril de 1945, para cubrir el adeudo convenido en el decreto de expropiación, y no fue sino hasta 1946 cuando la propiedad se cedió de la empresa a la sociedad cooperativa. La administración de la Cooperativa de Cementos Hidalgo resultó bastante ineficiente. A pesar de que a partir de 1940 el mercado nacional inició una etapa de alto crecimiento sostenido, el gobierno tuvo que subsidiarla durante décadas, hasta mediados de los ochenta, cuando el gobierno federal decidió dejar de subsidiar a las empresas que no fueran autosuficientes. En ese nuevo contexto, la empresa se dirigía a la quiebra. En 1993, casi sesenta años después de la incautación, cementos Hidalgo fue nuevamente adquirida por el grupo Cemex. Si bien la producción de Cementos Mexicanos no tuvo como único destinatario el consumo local, la realidad es que su mercado natural fue, sobre todo en los primeros tiempos, la demanda regional. En la región se desarrolló una cultura cementera que comprende los estados vecinos de Nuevo León: Tamaulipas, Coahuila, San Luis Potosí, Durango y Zacatecas. El centro del consumo fue la ciudad de Monterrey. La Sultana del Norte ha sido la ciudad más cementera de México, al registrar los índices más elevados de consumo por habitante, producto del desarrollo industrial y comercial, así como el alto porcentaje de uso del cemento en la construcción de viviendas. A partir de la década de los treinta y hasta los sesenta, Monterrey y su área metropolitana registraron un crecimiento expansivo en todos los órdenes: poblacional, comercial, financiero e industrial. En 1930 contaba con 27,156 unidades construidas en una superficie de 1,778 hectáreas; diez años después el número de unidades habitacionales había ascendido a casi el doble. Para la década de los cincuenta, la superficie urbana de Monterrey estaba compuesta por 4,774 hectáreas donde se instalaban 81,392 construcciones. El 46 por ciento del área estaba ocupada por casas habitación de características muy variadas: jacales (tejabanes construidos de cartón, madera, barro-block). La zona residencial estaba compuesta por casas que un autor las llama chozas, construidas en la periferia de las industrias localizadas al norte de la ciudad, entre las grandes avenidas Madero y Ejido. Auténticos tugurios rodeaban las numerosas fábricas de vidrio, cemento y las vías férreas.11 El doce por ciento de la superficie urbana de la ciudad estaba ocupada por instalaciones fabriles (existían registradas 760 industrias para la década de los cincuenta). De acuerdo con Santiago Roel, entre 1928 y 1938 se emprendieron grandes construcciones viales. La carretera Nacional se construyó en esos tiempos, costeada por el gobierno federal. Por su parte el gobierno del estado se hizo cargo de la construcción de otras vías de comunicación como la carretera Monterrey-Saltillo, la de Reynosa-Matamoros. Además de las carreteras locales como las de Salinas Victoria, García y Zuazua.12 Fue en este contexto local en el que Cementos Mexicanos desarrolla sus actividades productivas con un crecimiento sostenido. En los quince años que van de 1933 a 1948 las ventas de Cemex crecieron El Sol, 24 de junio de 1932. 30 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Pioneros de la industria del cemento en Nuevo León, México / Javier Rojas Sandoval anualmente, en promedio, 8.2 por ciento. Medido en producción, pasó de 39 mil a 124 mil toneladas.13 Por otro lado, un punto de interés para Cementos Mexicanos fue la penetración del mercado del centro del país, nada fácil de cubrir debido a las ineficiencias de los sistemas de comunicación, en especial el transporte ferroviario. Con el propósito de llegar a ese nicho de consumo la cementera regiomontana se diversifica desarrollando una nueva línea de producción: el cemento blanco. En 1933, la compañía adquiere la mina de Caolín La Blanca en Querétaro y un año después pone en marcha la fabricación de cemento blanco. En 1935 colocaba en el mercado dos mil toneladas de producto. Cementos Mexicanos fue pionera en la producción de cemento blanco en el país. Al mismo tiempo se produjo un desequilibrio entre la demanda creciente y la producción de cemento, lo que presionó la búsqueda de incremento de la capacidad de producción de la planta cementera. A principios de la década de los cuarenta la fábrica de cemento trabajaba al noventa por ciento de su capacidad, y la demanda seguía creciendo. Ante ello, se tomó la decisión de instalar un tercer horno para incrementar la producción hasta las 135 mil toneladas. Sin embargo, problemas derivados de la segunda guerra mundial impidieron conseguir equipo importado de Estados Unidos de la mejor calidad. En vista de lo anterior, la empresa optó por adquirir un horno usado. Para ello fue necesario incrementar el capital en 1.8 millones de pesos. En 1943 se adquirió en el vecino país un horno de ocho pies de diámetro por 175 pies de largo, así como un enfriador. En Canadá se compraron cinco molinos de tubo de segunda mano. Desde 1945 ya se tenía instalado el horno número tres, pero debido a la escasez de gas, no fue sino hasta 1946 que entró en operaciones. Durante esta misma etapa la empresa retomó el frustrado proyecto de la planta de cemento siderúrgico, que en 1905 había intentado producir cemento a partir de la escoria de Fundidora Monterrey. Se aprovechó para ello la instalación del segundo alto horno inaugurado el año de 1943, el cual produciría escoria con las especificaciones requeridas para producir el cemento siderúrgico. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Mediante una participación de sesenta por ciento del capital en manos de Cementos Mexicanos, y con una inversión total de 2.5 millones de pesos, se iniciaron los trabajos de construcción de la nueva fábrica en 1945, mismos que concluyeron el año de 1947. Cementos del Norte produjo la marca Atlante que tuvo gran aceptación en el mercado nacional debido a su bajo precio. En 1987 se suspendió la producción de cemento siderúrgico, como consecuencia del cierre de Fundidora Monterrey. Pese a que Cementos Hidalgo, convertida en cooperativa, era la única empresa rival de Cementos Mexicanos en la región, la realidad es que nunca representó un peligro de competencia significativa para esta última en el mercado del noreste de México. Por ello, Cementos Mexicanos se colocó en una posición de privilegio, ya que la fábrica hidalguense nunca logró igualar los niveles de productividad y eficiencia comercial de la cementera regia. Desempeñando su papel de liderazgo en la rama, Cementos Mexicanos diseñó y puso en práctica proyectos de expansión de acuerdo con las necesidades de un mercado incompetido. En 1950 invirtió once millones de pesos en la instalación del horno número cuatro, Allis Chalmers, con capacidad de cien mil toneladas anuales. Seis años después, se proyectó la instalación del horno número cinco, estimando una inversión de treinta millones de pesos. Tres años antes de que finalizara la década de los cincuenta se contrató con la empresa norteamericana F. L. Smidth, la adquisición de un horno de 125 metros de largo por 3.5 de diámetro. Fue inaugurado el 2 de marzo de 1959. Dos años después se instalaron nuevos molinos y otros equipos 31 �Pioneros de la industria del cemento en Nuevo León, México. Parte II / Javier Rojas Sandoval en la planta Monterrey y se trasladaron los antiguos a la nueva planta que sería construida en Torreón. En 1964 continuó expandiéndose la planta Monterrey, al autorizarse la instalación de un nuevo horno, el número seis, con capacidad de 165 mil toneladas anuales. Para lo cual se invirtió la suma de 21 millones de pesos. El horno se inauguró a principios de 1966. Con estas ampliaciones la planta Monterrey alcanzó las 600 mil toneladas anuales de capacidad, con lo cual podía equipararse a las otras cementeras instaladas en el país: Atotonilco, Tolteca y Lagunas, con capacidad de 640 mil toneladas cada una. En paralelo, la cementera siderúrgica incrementó su capacidad de producción al pasar de cincuenta mil toneladas anuales en 1950, a 240 mil, trece años después. De esta manera, hacia 1966 ambas plantas tenían una capacidad de hasta 840 mil toneladas anuales, cifra que representaba el dieciséis por ciento de la capacidad de producción total del país. Fue a finales de la década de los sesenta que Cementos Mexicanos introdujo modernos equipos que la colocaron a la vanguardia tecnológica de la rama. En 1967 comenzó a construirse el horno número siete y fue inaugurado tres años después. El horno número siete era un F. L. Smidth con capacidad para producir 400 mil toneladas con sistema de enfriamiento Unax y precalentador de dos etapas, lo que importó una inversión de cien millones de pesos. Con la adquisición del equipo precalentador, Cementos Mexicanos se modernizó y se puso al nivel de otras plantas instaladas en el país como Cementos Anáhuac, que contaba con equipos similares desde 1960. En 1974 entró en operación un horno moderno, similar al número siete. Asimismo, entró en operación el horno número dos en Torreón, con lo que se duplicó la producción y se inició la nueva línea de producción de la planta de Mérida. La planta Cementos del Norte experimentó una etapa de cambio tecnológico. A partir de 1971 sus ventas comenzaron a disminuir, al mismo tiempo que Fundidora Monterrey proveedora de la escoria, pasó a manos del Estado. La administración decidió suspender la fabricación de cemento siderúrgico e 32 inició en 1973 la producción de una variedad de cemento de cal apagada y puzolana, que es una roca volcánica, de la misma estructura que la pómez,14 de la marca Súper Atlante (cemento puzolánico). Desde 1953 con la instalación del horno número cuatro (que contaba con equipos recolectores de polvos), Cementos Mexicanos inicia una línea basada en el cuidado del medio ambiente. A partir de 1964 los proyectos de expansión siempre incluyeron equipos anticontaminantes avanzados, como los colectores de bolsas Dracco, y llegó a suspender los hornos que incumplían con las normas ambientales mexicanas. Tal fue el caso de los hornos 1, 2, 3 y 4 que fueron sacados de operación por no ajustarse a la normatividad ambiental. Así fue como se sentaron las bases de lo que hoy es CEMEX. REFERENCIAS 1. Javier Rojas Sandoval. El patrimonio industrial histórico de Nuevo León: Las fábricas pioneras de la segunda generación, la 2° edición, CELYTE, N.L., CAEIP, Julio 2009. Colección investigación educativa N°.43, ISBN, 978-607-00-1470-3, Monterrey, México. 2. Parte de la información para redactar el presente artículo fue proporcionada por el arquitecto Juan Ignacio Barragán, Cemex y la industria del cemento mundial, editorial ORBIS Internacional, Monterrey, N. L., (en prensa). Las citas corresponden a las páginas del manuscrito. Cuando la información no es de esa fuente, se indica su procedencia. 3. AGENL, Sección Concesiones, 20 / 4, abril 10 de 1905. 4. También se le llama clinca: pequeñas esferas formadas con la mezcla horneada de caliza y arcilla, Diccionario Larousse Ilustrado de las Ciencias. México, 1988. 5. Juan Ignacio Barragán, op. cit. 6. AGENL, Sección Concesiones, 20 / 4, octubre 30 de 1907. 7. Consultar: Andrés Montemayor, Historia de Monterrey, Asociación de Editores y Libreros de Monterrey, A. C., Monterrey, N. L., 1971, Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Pioneros de la industria del cemento en Nuevo León, México / Javier Rojas Sandoval pp. 343-344. También: Hugo Altamirano Ramírez, Monterrey, su evolución urbana y arquitectura, citado por Andrés Montemayor, op. cit. 8. Juan Ignacio Barragán, op. cit., pp. 22 y ss. 9. Fundidora Monterrey 75 años de actividad en la industria siderúrgica, Monterrey, N.L. 1975. 10. Versión del arquitecto Juan Ignacio Barragán, op. cit. 11. Mary Catheryne Magee, Monterrey, México, Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Internal Patterns and External Relations, University of Chicago, 1958, citado por Andrés Montemayor, Historia de Monterrey, Monterrey, N. L., 1971, pp. 387 y ss. 12. Santiago Roel, Nuevo León. Apuntes Históricos, edición del autor, Monterrey, N. L., 1977, pp. 282 y ss. 13. Juan Ignacio Barragán, op. cit., pp. 39 y ss. 14. Diccionario Larousse Ilustrado de Ciencias, op. cit. 33 �Síntesis de nanocompósitos de plata con almidón Alejandro Torres-Castro, Virgilio A. González González, Marco Garza Navarro, Edgar Gauna González FIME-CIIDIT-UANL virgilio.gonzalezgnz@uanl.edu.mx , virgonzal@gmail.com RESUMEN En los últimos años las nanoestructuras de plata han atraído la atención de muchos investigadores, esto es debido a sus nuevas propiedades ópticas y eléctricas. Así también las nanopartículas de plata muestran propiedades fungicidas. En este trabajo se discute sobre la reducción de la plata in-situ, usando almidón como agente reductor. Las nanopartículas de plata fueron obtenidas por la reducción de AgNO3 en una dispersión acuosa de almidón a temperatura ambiente, 55 y 85°C. La reducción fue monitoreada usando espectroscopía de UV-Vis. El análisis de la estructura y morfología de los resultados de las nanopartículas de plata fueron estudiadas por METAR y MEB. Las nanopartículas tienen un tamaño promedio de 10 nm y se encuentran en la superficie del almidón. PALABRAS CLAVES Nanoestructuras, Nanopartículas de Ag, almidón. ABSTRACT Silver nanostructures have received a lot of attention during the last years due to their novel optical and electric properties. Silver nanoparticles also show bactericide and fungicide properties. In this work we present an alternative method to prepare Ag nanoparticles on starch in order to produce a biocompatible and biodegradable nanocomposite with catalytic properties. In this work is discussed about the reduction of silver in-situ, using starch as a reducing agent. The silver nanoparticles were obtained by reduction AgNO3 in an aqueous dispersion of starch and at room temperature, 55 and 85°C. The Ag nanoparticles covered the starch particles in the same reaction. The reduction was monitored using UV-Vis spectroscopy. The structural and morphological analysis of the resulting nanoparticles was studied by HRTEM and SEM. The nanoparticles have an average size about 10 nm and they are mainly on the surfaces of starch. KEYWORDS Nanostructures, Ag nanoparticles, starch. INTRODUCCIÓN La actividad antimicrobial de la plata es sabida desde los primeros registros de la historia. Herodotus describe como el rey de Persia, cuando iba a la guerra, 34 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Síntesis de nanocompósitos de plata con almidón / Alejandro Torres-Castro, et al. tomaba agua caliente que almacenaba en garrafas de plata.1-3 La primera descripción moderna de este efecto fue dada por Raulin en 1869, que observó que la bacteria de aspergillus niger no podía crecer en los recipientes de plata.4,5 Desde entonces ha crecido el interés de muchos científicos en investigar la función fungicida de la plata. En los últimos años las nanoestructuras de plata han atraído la atención de investigadores en diversas áreas esto es debido a sus nuevas propiedades ópticas y eléctricas, y son las propiedades bactericidas las que más interesan a los científicos. Considerando que las aplicaciones de plata como agente bactericida han sido reportadas desde el siglo antepasado5 y hasta la última década, que incluyen tratamiento de quemaduras,6 prevención de infecciones en prótesis,7 catéteres,8 implantes vasculares,9 y dentales,10 así como la importante actividad citoprotectora hacia células infectadas con VIH,11 en este trabajo nos hemos planteado el desarrollo de nuevos materiales con uso potencial en medicina utilizando nanopartículas (NPs) de plata en una matriz biopolimérica. La preparación de NPs de plata ha sido exhaustivamente estudiada, por lo general incluyen un agente reductor de iones de plata y un agente estabilizante de las nanopartículas, entre los métodos reportados destacan los siguientes: M.V. Roldan y colaboradores12 realizaron tres tipos de síntesis para la reducción de iones de plata, el primero de ellos fue una reducción desde disolución en etanol empleando como reductor N[3-(trimetoxisilil)-propil]-dietilentriamina (ATS), el segundo fue una precipitación en la oscuridad desde disolución acuosa con etilen glicol y el tercero fue una reducción electroquímica en disolución acuosa con polietilenglicol como estabilizante. ArnabDawn y col.13 efectúan una reducción con un derivado de la polianilina, usado simultáneamente como estabilizador de las NPs de plata. Raffi M. y col.14 mediante un método de Arriba hacia Abajo (o “Top to Down”), como lo es la condensación de un gas inerte, elaboran NPs de Ag de un tamaño aproximado de 16 nm. Firestone M. y col.15 realizan la reducción de sales de plata en solución acuosa utilizando borohidruro de sodio, estabilizando las partículas con sulfato de dodecil litio y depositándolas sobre un Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 sustrato. He S. y col.16 llevan a cabo una reducción con borohidruro de sodio en emulsiónes de soluciones acuosas de nitrato de plata en cloroformo. Durán N y Shankar 17,18 biosintetizan las nanopartículas de plata empleando hongos y plantas como agentes reductores, mientras que Tae-G y Rodríguez-Sánchez19,20 las obtienen mediante síntesis electroquímica. Li Guoping y col.21 realizan síntesis de las NPs empleando el método de reducción con metanol utilizando como estabilizador la (poli(N-vinil-2-pyrrolidiona)) en solución acuosa. Poovathinthodiyil Raveendran y col.22 llevan a cabo una reducción en disolución acuosa con almidón como estabilizante y β-D-glucosa como agente reductor. Wojciech Lesniak y col.23 realizan una reducción con luz ultravioleta de iones plata en una disolución usando dendrímeros como estabilizadores y acomplejantes de las nanopartículas. Li Yuning y col.24 prepararon una reducción con fenilhidracina sin estabilización (deposición de precipitado sobre sustrato). Alés Panácek y col.25 emplean una reducción con sacáridos (glucosa y galactosa) y disacáridos (maltosa y lactosa) de complejos de Ag(NH3)2+, sin estabilizador. Rasika Tankhiwale y col.26 hacen una reducción con citrato de sodio en una interface de papel modificado con acrilamida. Toshihito Miyama y col.27 Hacen una reducción de la sal de plata de la carboximetilcelulosa mediante radiación UV-vis. DESARROLLO EXPERIMENTAL Materiales utilizados: Almidón National 0572, en forma de polvo blanco, provisto por Aranal, el cual tiene un peso molecular menor que 10,000 g/mol. Sal 35 �Síntesis de nanocompósitos de plata con almidón / Alejandro Torres-Castro, et al. inorgánica de nitrato de plata AgNO3, provisto por Sigma-Aldrich con pureza de 99% (grado reactivo) y peso molecular de 168.87 g/mol. Borohidruro de sodio NaBH4, provisto por Sigma-Aldrich con pureza de 99% (grado reactivo) y peso molecular de 37.83 g/mol. La elaboración de nanocompósitos de almidónplata fue realizada por dos métodos diferentes. Primer método de síntesis En este método es empleado el hidroboruro de sodio NaBH4 como agente reductor; Se preparó una suspensión de 2.5 g de almidón en 100 mL de agua destilada, a la cual se le agregó una solución de acuosa de AgNO3 con concentración de 0.01 M (0.01 mol/L). Posteriormente, se le agregó una solución de 2 mg de NaBH4 en 10 mL de agua destilada. La reacción de reducción fue en este caso inmediata, cambiando la coloración de la suspensión de almidón a un color café obscuro. Segundo método de síntesis En esta ruta de síntesis se solubilizaron 1.5 g de almidón en 100 mL de agua destilada, mediante el calentamiento de la dispersión a una temperatura de 70 ºC por un periodo de 15 min. El gel blancuzco resultante fue dejado reposar por 24 hrs. Posteriormente, se observó que una parte del almidón se precipitó al fondo del recipiente empleado, por lo cual se decidió utilizar solo la parte superior de la solución para la síntesis de los materiales compósitos. La concentración real de esta disolución fue obtenida a partir del secado de una alícuota de la solución a 60°C, (concentración de 7.58 x 10-3 g/mL). Posteriormente la síntesis de los materiales compósitos se realizó a temperaturas de 55°C y 85°C por periodos de 2 y 24 horas, dando como resultado 4 experimentos distintos. Estos experimentos fueron conducidos de la manera siguiente: Se vertieron 55.5 mL de la solución de almidón en un matraz de tres bocas, en donde la solución fue calentada a la temperatura del experimento. Una vez alcanzada la temperatura, se agregaron al matraz 5 mL de una solución acuosa de AgNO3 con concentración de 0.028 M (0.0280 mol/L). La reacción se mantuvo 36 en reflujo para evitar la evaporación del agua de la solución en el matraz y fue monitoreada durante el tiempo requerido en cada experimento. Durante la reacción fue evidente el cambio de coloración de la disolución, de un color blancuzco translúcido, a uno amarillento, grisáceo y finalmente violeta, lo cual dependió del tiempo en que se dejó que ocurriera la reacción. Los materiales resultantes de estas síntesis fueron congelados con hielo seco inmediatamente después de transcurrido el tiempo de la reacción. Lo anterior se hizo con la finalidad de detener la reacción de reducción de la plata. Posteriormente, las muestras congeladas fueron secadas sublimando el agua bajo condiciones de vacío (1 x 10-3 Torr) en una liofilizadora. Los compósitos de plata y almidón se caracterizaron por técnicas de microscopía electrónica de barrido Nanosem 200 (MEB), microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (METAR) Tecnai TF30, contraste de fases por número atómico (HAADF, por sus siglas en ingles) y espectroscopía de ultravioleta-visible (UV-vis). RESULTADOS Y DISCUSION Primer método de síntesis Fue evidente la ocurrencia de una reacción al cambiar la coloración del medio de reacción de blancuzco a café obscuro inmediatamente después de haberle añadido el borohidruro de sodio. Al observar los materiales secos mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (figura 1), se encontraron efectivamente nanopartículas cuyo Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Síntesis de nanocompósitos de plata con almidón / Alejandro Torres-Castro, et al. Fig. 1. Imágenes de METAR de NPs de plata reducida con borohidruro de sodio en almidón. a) Imagen principal, b) acercamiento del recuadro indicado en (a), c) difracción de electrones de la partícula. tamaño osciló entre 10 y 20 nm de diámetro, encontrándose estas embebidas en el almidón. En la figura 1A se aprecia una distribución de tamaños de partícula más o menos uniforme. La figura 1B es una amplificación de la partícula del recuadro de la figura 1A, donde se aprecia que el espaciamiento interplanar de 2.42 Å corresponde al plano cristalográfico [1,1,1] de la plata, siendo el eje de zona el correspondiente al vector B = [-2,-1,-1] como lo indica la figura. En la figura 1C se muestra la difracción de electrones de la partícula, corroborando que las dimensiones de la celda unidad corresponden a la de la plata elemental, es decir una estructura cúbica centrada en las caras con dirección [-1,-1,-1]. Durante estos experimentos, se presentó siempre un problema, que fue la presencia de aglomerados de partículas de entre 5 y 8 nm (figura 2), indicando una dispersión relativamente pobre. Fig. 2. Micrografía de METAR de un aglomerado de nanopartículas de plata en almidón Segundo Método Reacción a 55 °C En la figura 3, se reportan los espectros UV– Vis de los nanocompuestos preparados a 55 °C durante 24 horas de reacción y comparados con el espectro UVdel nitrato de plata. Se aprecia la banda característica de las NPs de plata a 430 nm, así como un hombro apenas apreciable a 519 nm; la banda del nitrato de plata, cuyo espectro también mostrado en esta figura, resulta muy débil como para interferir en el espectro de los nanocompuestos. Las bandas a 430 y 519 nm pueden ser atribuidas a la absorción de las nanopartículas de plata embebidas en almidón y ocurre debido a la resonancia superficial del plasmón. Lo anterior sugiere la formación de nanopartículas de plata vía la reducción de iones de plata por las moléculas de almidón. El inserto muestra un gráfico de absorbancia de la banda observada a 430 nm contra la concentración de NPs de Ag de distintas disoluciones acuosas obtenidas de esta muestra. Al analizar imágenes de MEB obtenidas a bajo vacío y con el detector de electrones retrodispersados presentados en la figura 4, observamos los nódulos micrométricos de almidón y las nanopartículas de plata cuya cantidad va incrementándose al incrementar el tiempo de reacción de 2 horas (figura 4A) a 24 horas (figura 4B). Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Fig. 3. Espectros UV-vis, de nanocompuestos de plata almidón preparados con la fracción soluble de almidón a 55°C tiempos de 24 horas y comparados con el espectro del nitrato de plata. 37 �Síntesis de nanocompósitos de plata con almidón /Alejandro Torres-Castro, et al. Fig. 5. Espectros UV-vis. de nanocompuestos de plata almidón preparados con la fracción soluble de almidón a 85°C tiempos de 24 horas y comparados con el espectro del nitrato de plata. Fig. 4. Imágenes de microscopía electrónica de barrido, mediante la técnica de bajo vacío y electrones retrodispersados: a) 2 horas de reacción y b) 24 horas de reacción a temperatura de 33 ºC. A la vez se observa que en la reacción con duración de 2 horas, las partículas tienen una distribución de tamaños más o menos angosta alrededor de los 50 nm, mientras que en la reacción llevada a cabo durante 24 horas, se encuentra una distribución más ancha, habiendo partículas desde 55 nm hasta un poco más de 100 nm. Estos resultados corroboran lo observado mediante espectroscopía de UV-vis. Segundo Método de Reacción a 85 °C Los espectros UV-Vis del nanocompuesto de la reacción a 85 ºC después de 24 horas se muestran en la figura 5. Aquí se puede observar que igual que en el caso de la reacción a 55 ºC, la banda de absorción del nitrato de plata no influye en forma 38 significativa en los espectros del nanocompuesto, pero a diferencia de aquella reacción, solamente se aprecia una banda correspondiente a la absorción de las NPs de plata, indicando que probablemente se tenga una distribución de tamaños de partícula monomodal. También es conveniente indicar que los cambios en la “altura” de la línea base, en este y todos los espectros que se han presentado, puede explicarse por la presencia de cierta turbidez, no observable a simple vista, pero detectable por el espectrofotómetro. En la figura 5 el inserto muestra un gráfico de absorbancia de la banda a 419 nm, contra la concentración de NPs de Ag de distintas disoluciones acuosas obtenidas de esta muestra. En las imágenes de MEB de bajo vacío y electrones electrodispersados de la muestra reaccionada por 2 hrs. (figura 6), se aprecian nanopartículas de tamaño en el orden de los 40 a 80 nm, que por su morfología esférica son seguramente de plata. Se aprecian también los glóbulos de almidón de tamaño micrométrico, pero además se encuentran una gran cantidad de cristales que probablemente son de AgNO3, indicando que posiblemente la reacción no se ha completado. Al observar las imágenes de MEB de las muestras reaccionadas durante 24 hrs. (figura 7), encontramos las microesferas correspondientes a los gránulos de almidón, así como nanopartículas con una Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Síntesis de nanocompósitos de plata con almidón / Alejandro Torres-Castro, et al. Fig. 6. Imágenes de microscopía electrónica de barrido, mediante la técnica de bajo vacío y electrones retrodispersados de dos regiones en la muestra reaccionada durante 2 horas a 85 ºC. distribución de tamaños bastante homogénea con alrededor de 80 nm, además también apreciamos la ausencia de cristales no cuasi-esféricos (muy probablemente de nitrato de plata), lo que sugiere el término de la reacción de reducción de plata. CONCLUSIONES Es posible obtener nanocompuestos de partículas de plata en almidón por cualquiera de las tres vías experimentales, esto es: 1) utilizando como agente reductor y estabilizador el almidón National 0572, 2) almidón National 0572 usando como agente reductor el borohidruro de sodio y 3) usar la fracción soluble del almidón National 0572 y usándolo tanto como agente reductor como estabilizador a temperaturas de entre 55 y 85 °C. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Fig. 7. Imágenes de microscopía electrónica de barrido, mediante la técnica de bajo vacío y electrones retrodispersados de dos regiones en la muestra reaccionada durante 24 horas a 85 °C. El primer método ofrece como ventajas la baja temperatura (ambiente) a que se lleva la reacción y el uso del almidón tal y como llega del proveedor, teniendo como desventajas la bimodalidad de la distribución de los tamaños de las nanopartículas y la formación de algunos aglomerados. El segundo método ofrece además de las ventajas mencionadas en el primer método, la rapidez de la reacción, la formación de nanopartículas de menor tamaño de 10 a 20 nm y la ausencia de aglomerados, pero como desventajas la mayor temperatura de reacción requerida. A 55 °C se observa bimodalidad de la distribución de tamaños. Mientras que a 85 °C se requiere, para completar la reacción un tiempo 39 �Síntesis de nanocompósitos de plata con almidón / Alejandro Torres-Castro, et al. de reacción grande (24 horas.) pero se obtiene una distribución monomodal de tamaños de partículas de aproximadamente 80 nm bien dispersas. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a la UANL, Copamex y al CONACYT, por los apoyos económicos recibidos para la realización de este proyecto. BIBLIOGRAFÍA 1. Julia L. Clement and P.S. Jarret. Antibacterial Silver. Advances in Pharmacological Sciences. (1994),Vol. 1 Nos. 5-6. pp. 467-482. 2. E.H. Blakeney, Book, “The history of Herodotus” translated by G. Rawlinson; Dent London. (ed) 1945. 3. G. Sykes. Book, “Disinfection and Sterilization”; Spon, London.(1958) 4. J. Raulin Abstract of articles on oligodynamic sterilization. Project WS 768 The Engineer Board, Corps of Enginners, U.S. Army, Fort Belvoir, Va. (1947). 5. V o n N a g e l i , K . W . DenschrSchweizNaturforschGes. (1893) 33, 174. 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Toshihito Miyama, Yonezawa Y, “Photoinduced Formation and Aggregation of Silver Nanoparticles at the Surface OfCarboxymethylcellulose Films”, Journal of Nanoparticle Research,(2004), Vol. 6(5), pp. 457-465. 41 �Brechas acústicas en arreglos lineales de dipolos magnéticos Francisco Javier Sierra ValdezA, Carlos Martínez HernándezA, Jesús Carlos Ruiz SuárezB A Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, UANL Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN B cmartinezhdzmx@yahoo.com.mx RESUMEN Las brechas acústicas se observan en medios no homogéneos hechos de materiales compuestos. La modulación de las propiedades elásticas en tales medios crea los efectos coherentes de la dispersión e interferencia que llevan a los intervalos de frecuencia en los que la propagación del sonido es prohibida. En contraste, aquí se reporta una observación experimental de las brechas acústicas en medios homogéneos; específicamente en cadenas granulares. Las esferas usadas en este estudio son magnéticas, por lo tanto, en lugar de modular las propiedades elásticas de la cadena, nosotros modulamos la magnetización, esto es, las fuerzas de contacto. La velocidad de propagación de las señales acústicas a través de las cadenas magnéticas usadas en este estudio es distinta a la velocidad predicha por la ley de Hertz. PALABRAS CLAVE Cadena de esferas, fuerza magnética, ley de Hertz, velocidad del sonido, brechas acústicas. ABSTRACT Acoustic gaps are observed in inhomogeneous structures made of composite materials. The modulation of the elastic properties in such media creates the coherent effects of scattering and interference that lead to frequency intervals where sound propagation is forbidden. In contrast, we report here an experimental observation of acoustic gaps in homogeneous media; specifically in granular chains. The beads used in our study are magnetic. Therefore, instead of modulating the elastic properties of the chain, we modulate the magnetization, i.e. the contact forces. We also observe that the propagation speed of acoustic signals through the magnetic chains used in this study is at odds with the speed predicted by Hertz’s law. KEYWORDS Chain of beads, Magnetic force, Hertz’s law, Speed of sound, Acoustic-gaps. INTRODUCCIÓN La propagación de las señales acústicas a través de cadenas de esferas idénticas ha logrado, a través de los años, el estatus de un modelo clave para estudiar las propiedades acústicas de los materiales granulares. Comprimidas1-3 o no 42 Artículo basado en el proyecto “Brechas acústicas en arreglos lineales de dipolos magnéticos”, galardonado con el Premio de Investigación UANL 2010, en la categoría de Ciencias Exactas, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 10 de septiembre de 2010. Artículo publicado en la Revista Ciencia UANL, Vol. XIII, No. 4, correspondiente a oct-dic 2010, revisado por los autores. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Brechas acústicas en arreglos lineales de dipolos magnéticos / Francisco Javier Sierra Valdez, et al. comprimidas,1,4,5 las cadenas se han estudiado con el objetivo de elucidar las diferencias importantes en las respuestas lineales y no lineales observadas en los sistemas granulares. En principio, dos partículas esféricas adyacentes en una cadena comprimida se deforman, según la ley de Hertz: la deformación δ0 es proporcional a F02/3, en la que F0 es la fuerza de contacto. Si la amplitud de las oscilaciones es mucho más pequeña que δ0, se conocen bien los resultados para cadenas de masas puntuales idénticas unidas a movimientos oscilatorios lineales,1 siendo la constante de resorte κ igual a 3/4 (a.F)1/3θ−2/3, en la que a es el radio de las esferas, y θ es dada por 3/4 (1−ν2).E−1, siendo ν el radio de Poisson, y E−1 el módulo de Young. Por consiguiente, la velocidad del sonido en una cadena es proporcional a κ1/2, luego esto se vuelve proporcional a F01/6. Como consecuencia, cuando F0 es cero, la cadena es incapaz de transmitir sonido. Sin embargo, cuando la amplitud de las oscilaciones es más grande que δ0,4-6 se pueden propagar ondas solitarias (solitones). El conocimiento acumulado hasta ahora acerca de este caso no lineal ha inducido a este grupo a proponer recientemente las nuevas aplicaciones, como los dispositivos de bifurcación.8 Un experimento realizado por uno de los grupos anteriores2 fue la propagación de sonido en un arreglo lineal de esferas de 8 mm de diámetro. Se coloca por un extremo de la cadena un emisor que produce una excitación; y por el otro, un receptor que envía la señal a un osciloscopio. A su vez, se aplica una fuerza de compresión a lo largo de la cadena, la cual se mide con un sensor de fuerza estática colocado en un extremo de la misma, detrás del emisor. Se obtuvo que para valores de fuerza pequeños, la ley de Hertz se modifica por F01/4, para F0 < 1,250 N, lo que contrasta con F01/6 para valores mayores en la fuerza de contacto. En la presente investigación retomamos el fenómeno de transmisión de sonido a través de una cadena de esferas (figura 1(a)). Sin embargo, a diferencia de trabajos anteriores, nosotros utilizamos esferas magnéticas idénticas hechas con base en neodimio, hierro y boro (NdFeB). Debido a la interacción dipolar cohesiva existente entre ellas, estos arreglos se consolidan sin necesidad de presión externa, lo que nos permite estudiar el efecto de la magnetización Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Fig. 1. (Color en línea) (a) Cadena de esferas magnéticas. Los dipolos se alínean de forma cabeza-cola (→→→ →). (b) Arreglo bidimensional de esferas magnéticas. En uno de los ejes, los dipolos están alineados como se muestra en (a), y en el otro se orientan alternadamente (izquierda-derecha). (c) El diseño experimental usado en los experimentos. en la propagación del sonido. El propósito en este trabajo es discutir dos resultados: en primer lugar, la velocidad de una señal acústica, a través de una cadena magnética, sigue un comportamiento tipo ley de potencias con la fuerza de contacto Fm, en el que se encuentra el exponente de 1/3 en lugar de 1/6, obtenido anteriormente en cadenas comprimidas. En segundo lugar, las brechas de frecuencias no se modulan mediante las constantes elásticas de las esferas, sino por su magnetización. Con el fin de evaluar la importancia de este comportamiento tan intrigante, se destaca que los efectos acústicos de ancho de banda se han observado sólo en compuestos periódicos consistentes de dos materiales diferentes. 9,10 Cuanto mayor sea el contraste elástico entre los componentes del arreglo, se definirá mejor la brecha de frecuencias. Por ejemplo, una cadena de esferas de acero comprimida externamente, con esferas de nylon periódicamente distribuidas dentro de la misma, puede tener un espectro de transmisión de sonido con al menos un ancho de banda. En el caso fuertemente no lineal, en el que los solitones se observan rutinariamente, un compuesto granular de esta clase es también capaz de limitar y desintegrar estas ondas solitarias.7,11 43 �Brechas acústicas en arreglos lineales de dipolos magnéticos / Francisco Javier Sierra Valdez, et al. INTERACCIÓN MAGNÉTICA Por otro lado, la energía de interacción magnética entre dos momentos dipolares μi y μj está dada por Uij= μ2rij−3[μi • μj -3(μi • rij)(μj • rij)], en la que rij =|rj -ri| es la distancia de separación entre los dipolos y μ=|μi|=|μj|. Aunque esta expresión es válida sólo para dipolos ideales, se usa para estimar la fuerza de contacto entre dos esferas adyacentes, Fi,i+1, en una cadena de N partículas magnetizadas. En la figura 2 se muestran las fuerzas de contacto con dos configuraciones diferentes de dipolos: (a) el caso en el que los dipolos están orientados de forma cabezacola (→→→→), y (b) el caso en el que alternan direcciones. Vale la pena remarcar que aunque ambas configuraciones son cohesivas (figura 2), sólo la primera es estable en condiciones reales. Las fuerzas de contacto son menores en las fronteras de la cadena, debido a la naturaleza de las interacciones magnéticas. Fig. 2. (Color en línea) (a) Fuerzas de contacto para cadenas de diferentes longitudes, con N= 6,11,16,21. La configuración de dipolos es de tipo cabeza-cola. (b) Fuerzas de contacto para cadenas con N= 6,11,16,21, en los que los dipolos alternan orientaciones. Nótese que las fuerzas de contacto son más pequeñas (mayores) en los límites de las cadenas, debido a la naturaleza de la interacción de dipolo a dipolo. 44 De manera interesante, sin embargo, este segundo arreglo se vuelve estable, si las cadenas alineadas cabeza-cola se ensamblan en un arreglo bidimensional (figura 1(b)).1 M E T O D O L O G Í A E X P E R I M E N TA L Y RESULTADOS Se comenzó por medir la velocidad del sonido en una cadena de 20 esferas magnéticas como una función de la fuerza magnética de contacto. Las esferas, con un diámetro d de 5 mm, fueron adquiridas (SuperMagnetM) con un dipolo magnético permanente estimado en μ= 0.07 A.m2 (este valor corresponde a la intensidad superficial de campo medida con un Lakeshore Gaussmeter 475). Estas esferas, hechas de una mezcla de NdFeB, se recubren en el proceso de manufactura con una capa epóxica resistente. Con un horno de temperatura controlada, las esferas se calientan hasta reducir su magnetización. Por lo tanto, las cadenas se forman con diferentes fuerzas de cohesión, las cuales se obtienen fácilmente al medir cuidadosamente la fuerza necesaria para separar las cadenas por la mitad. Se coloca un piezoeléctrico en contacto con la primera esfera de la cadena, y se anexa un acelerómetro (DeltaTronBK, 1000 MV/g) en la última [figura 1(c)]. El piezoeléctrico se controla con un generador de señales (HP-33120A) que propaga un pulso cuadrado de 2 s a lo largo de la cadena. Para medir el tiempo de vuelo del frente de este pulso, se utiliza un osciloscopio Agilent 54641A (figura 3), y conociendo la longitud de la cadena (en este caso 10 cm), la velocidad del sonido puede obtenerse (figura 4). Encontramos que la velocidad medida de esta manera se compara razonablemente bien con la velocidad de la onda real, la cual puede producirse como una onda estacionaria en alguna frecuencia menor que la frecuencia de corte. Por lo que la velocidad del sonido es proporcional a la frecuencia de corte (Costeet al.),1 la velocidad puede estimarse, si encontramos experimentalmente esta frecuencia (ver los puntos rojos en figura 4). Los resultados indican que el pulso angosto usado en al primer método no se dispersa mucho durante la propagación. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Brechas acústicas en arreglos lineales de dipolos magnéticos / Francisco Javier Sierra Valdez, et al. Fig. 3. (a) Pulso acústico enviado a través de la cadena magnética de esferas. El pulso tiene un ancho de 2 μs. (b) La señal medida al final de la cadena ∆t es el tiempo de vuelo del pulso en la cadena. Nótese que el acelerómetro toma alrededor de 400 μs para relajarse. Fig. 4. (Color en línea) Velocidad del sonido como función de la fuerza de contacto en el punto medio de la cadena. Los datos son bien ajustados por una ley de potencias con exponente 1/3 (ver también gráfica log-log insertada). Los cuadros negros se midieron como se indica en el texto, y los puntos rojos se obtuvieron por una primera medición de las frecuencias de corte (frecuencias en las cuales no se propaga la señal), y luego con la expresión ν=2πaƒc, en la que a es el radio de las esferas (ver Coste et al.).1 Adicionalmente mostramos, para comparación, la velocidad del sonido predicha por la ley de Hertz (exponente 1/6). El error experimental es del tamaño del punto. Entre más grande es la fuerza de contacto entre las esferas, mayor es la velocidad de propagación (figura 4). Los resultados ajustan razonablemente bien a una ley de potencias con exponente 1/3 (ver también gráfico log-log insertado en la figura 4). En principio, este valor difiere del resultado clásico dado por el Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 modelo de Hertz, el cual predice un exponente de 1/61 (ver la línea punteada en figura 4). Es lógico pensar que si se aplica una fuerza de compresión muy grande a la cadena, la velocidad de propagación presentaría una tendencia a ser constante, suponiendo que no exista destrucción de esferas. Se observa un aumento en los exponentes de la fuerza conforme disminuyen los intervalos de fuerza, ya que para valores de fuerzas mayores a 1,250 N, el exponente es 1/6.1 Sin embargo, se ha obtenido el exponente de 1/4 en otros experimentos.1,3,12 Aunque la naturaleza del exponente de 1/4 es todavía una controversia en la bibliografía científica, se cree que este exponente tiene su raíz en la ley de Hertz modificada, que toma lugar cuando las fuerzas de compresión se reducen significativamente, alrededor de 20 a 200 N.3 Por lo tanto, especulamos que el exponente encontrado en nuestros experimentos (1/3) es mayor que ¼, ya que las fuerzas de contacto son reducidas aún más (alrededor de 0.5 a 5 N, como vimos en la figura 4).1 Creemos que es necesario un poco más de investigación al respecto, para elucidar la naturaleza de este exponente. En el caso de la velocidad de propagación a través de una malla (23x23 esferas), se utilizó el mismo procedimiento experimental mostrado para la cadena, e incluye los mismos parámetros. Al medir, en el caso de la línea 1 (dipolos alineados), la velocidad es de 639.5 m/s, y en la línea 2 (dipolos desalineados) es de 263.03 m/s; siendo ésta mayor en la línea 1, debido al alineamiento de los dipolos, por lo que ejercen mayor fuerza entre ellos [figura 1(b)]. Como se mencionó antes, un segundo experimento se llevó a cabo para ver si la cadena magnética se comporta como un cristal fotónico, cuando las esferas no magnéticas (impurezas) son insertadas periódicamente dentro de la cadena. En principio, la inserción de esferas de este tipo podría modular la impedancia acústica dentro de la cadena, lo que afecta el resultado de la onda de sonido y viaja a través de ésta. La cadena se forma por N=25 celdas, cada celda contiene cinco esferas magnéticas y n no magnéticas, en el que n puede ser 1, 2, 3 o 4. Una vez que las esferas no magnéticas se colocan dentro de la cadena, éstas, por supuesto, se remagnetizan un poco, y garantizan la cohesión de la cadena. 45 �Brechas acústicas en arreglos lineales de dipolos magnéticos / Francisco Javier Sierra Valdez, et al. Sin embargo, entre mayor sea n, menores son las fuerzas de contacto en tales segmentos, y mayor es el contraste entre estos y las esferas magnéticas. La figura 5 ilustra la modulación de estas fuerzas de contacto en una cadena integrada por cinco celdas y media. Fig. 6. (a) Señal acústica enviada a través de una cadena de esferas magnéticas. La señal se compone de un tren de onda de 20 ms, en el que la frecuencia incrementa con el tiempo desde 1kHz hasta 15kHz. (b) Señal medida al final de la cadena. Fig. 5. (Color en línea) Fuerzas de contacto en cadenas cortas como función de la longitud de la cadena (número de esferas). Cada cadena está formada por cinco celdas y media. Y cada celda, formada por cinco esferas magnéticas (amarillas) y (a) uno, (b) dos, (c) tres y (d) cuatro esferas no magnéticas (negro). En principio, hay dos formas para obtener el espectro de potencias de un pulso de sonido que viaja a través de una cadena lineal: el normal-mode analysis (NMA) y el pulse analysis (PA) (ver, por ejemplo, Parmley et al.).14 En el primero, una oscilación con una frecuencia dada se transmite través de la estructura, y cuando esta frecuencia varía, el arribo de la señal es registrado. En el segundo, un pulso, rico en frecuencias, se genera y se envía a través de la cadena. Luego, la señal se mide con un receptor, posteriormente se le aplica la transformada de Fourier. El método PA es mucho más rápido, pero la composición de las frecuencias del pulso tiene que determinarse previamente. Nosotros implementamos un tercer método, cercanamente relacionado con el segundo. Éste consiste en la propagación de un tren de ondas sinusoidales, en el que la frecuencia incrementa con el tiempo. El detector (acelerómetro) actúa como un integrador, y a la señal registrada se le aplica la transformada de Fourier. La figura 6 muestra un tren de ondas típico y la correspondiente señal recibida. 46 A continuación se muestran los resultados del espectro de potencias de la onda transmitida para las cadenas consideradas. Como se señaló, la cadena se forma de N=25 celdas, y cada celda incorpora un creciente número de impurezas (esferas no magnéticas). Para establecer una mejor apreciación de la influencia que tiene la incorporación de impurezas, se compara con respecto a la cadena completamente magnética (figura 7). Encontramos claramente una brecha de frecuencias en los últimos tres espectros. En el caso n=0, todas las frecuencias que se transmiten inicialmente son capaces de atravesar la cadena libremente. El caso para n=1 no se muestra, ya que es muy similar al caso en el que todas las esferas de la cadena son magnéticas, y esto se debe a que las esferas magnéticas no perciben una impureza, por lo que no se consigue una superposición destructiva para la formación de una brecha, esto es, todas las frecuencias logran atravesar la cadena libremente. Posteriormente se puede observar que en n= 2,3, y 4 se da lugar a superposiciones destructivas que generan una brecha de frecuencias en la que el sonido no se puede propagar. El espectro, junto con las brechas, se corre hacia bajas frecuencias conforme el número de impurezas (n) aumenta. Considerando que la longitud de la cadena también crece con n, este corrimiento es esperado. Nótese que el caso de la figura 7 (a) se normaliza con respecto al pico más alto de la gráfica (0.08164 Volts). Cabe señalar que Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Brechas acústicas en arreglos lineales de dipolos magnéticos / Francisco Javier Sierra Valdez, et al. para un número de impurezas mayor a 4, el sonido se disipa en gran medida durante su viaje, por lo que el espectro de salida no arroja datos importantes. Fig. 7. (Color en línea) Espectro de potencias del pulso transmitido conforme el número de esferas no magnéticas (n) es incrementado; (a) n=0, (b) n=2, (c) n=3, (d) n=4. Los puntos negros son los datos experimentales, y la curva azul representa la predicción teórica del modelo matemático que será discutido en el apartado siguiente. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 DISCUSIÓN El modelo teórico que respalda nuestros resultados experimentales se presenta a continuación. Este modelo utiliza una expresión matemática reportada por Griffiths y Steinke,15 quienes resuelven la teoría general de propagación de ondas en un medio localmente (finito) periódico, con la estructura de la matriz de transferencia (teoría cuántica de dispersión). Tenemos una señal sinusoidal de una frecuencia dada ƒ, propagándose a través de un sistema unidimensional (1D) periódico finito como el mostrado en la figura 5, donde ésta se transmite con un coeficiente de transmisión, dado por Griffiths y C. Steinke:15 T = [1+z2(senNγ / senγ)2]-1, en el que z=ε_sen(κ2b), γ=cos1 (ξ),y ξ=cos(κ2b)cos(κ1L)−ζ+sen (κ2b)sen(κ1L). ε, κ, η, b y L se definen así: ε+ =1/ 2(η±1/ η), κi =(2πf)/νi, η = κ1/ κ2= ν2/ ν1, b =nd, y L=5d. Todas las esferas de la cadena (magnetizadas y no magnetizadas) son elásticamente idénticas, η es simplemente el cociente de las impedancias acústicas, y este cociente se toma como el único parámetro libre para adaptar la posición y forma de las brechas acústicas. Sin embargo, tenemos que resolver primero el siguiente inconveniente: la teoría de Griffiths y Steinke se restringe al caso de ondas no disipativas, mientras que en nuestro caso la propagación del sonido es fuertemente disipativa. La función ad hoc es Gaussiana, debido a que el espectro asociado a n=0 tiene claramente esta forma. Los parámetros introducidos en el modelo anterior para el ajuste de los datos experimentales en la figura 7 son: (a) n=0, η=1, ƒ0=9.5 kHz, σ=4.5 kHz, y λ=0.95; (b) n=2, η=0.61, ƒ0=7.6 kHz, σ=3.5 kHz, y λ=0.22; (c) n=3, η=0.58, ƒ0=6.1 kHz, σ=3.5 kHz, y λ=0.14; (d) n=4, η=0.54, ƒ0=5.2 kHz, σ=3.5 kHz, y λ=0.025. El acuerdo razonable que encontramos con los resultados experimentales (ver la curva azul en figura 7) es digno de mencionarse. Primero, una expresión matemática compacta que tiene su origen en una teoría cuántica de dispersión es capaz de describir completamente un sistema mecánico finito. Segundo, para adaptar los datos, se usó sólo un parámetro libre, η, y este parámetro es simplemente el cociente de dos velocidades. 47 �Brechas acústicas en arreglos lineales de dipolos magnéticos / Francisco Javier Sierra Valdez, et al. CONCLUSIÓN Una cadena lineal de esferas sin compresión externa es capaz de propagar sonido, si las esferas se atraen entre ellas con una fuerza magnética interna. La velocidad de una señal acústica es proporcional a Fm1/3, donde F es la fuerza dipolar magnética. La diferencia entre el exponente encontrado en nuestras mediciones y los trabajos realizados anteriormente (1/6 y 1/4) se debe a que por primera vez las fuerzas de interacción magnéticas usadas son mucho menores a las fuerzas de compresión utilizadas previamente. En cuanto a la velocidad de propagación del sonido en la malla (2D), encontramos que ésta es casi 2.5 veces mayor en que los dipolos están alineados en comparación con la línea en donde los dipolos están desalineados. Por último, un resultado muy importante en este trabajo es la existencia de brechas acústicas. Si la interacción magnética entre las esferas de la cadena (es decir, fuerza de contacto) se modula con la inserción de esferas completamente desmagnetizadas del mismo material, las brechas de frecuencia aparecen. REFERENCIAS 1. Coste, E. Falcon, and S. Fauve, Phys. Rev. E (1997). 2. C. Coste and B. Gilles, Eur. Phys. J.B. 7, 155 (1999). 48 3. M. de Billy, J. Acoust. Soc. Am. 108, 1486 (2000). 4. V.F. Nesterenko, J. Appl. Mech. Tech. Phys. (1983). 5. V.F. Nesterenko, J. Appl. Mech. Tech. Phys. (1984). 6. V.F. Nesterenko, Dynamics of Heterogeneous Materials (Springer-Verlag, New York, 2001), Chap. 1. 7. C. Daraio, V.F. Nesterenko, E.B. Herbold, and S. Jin, Phys. Rev. Lett. 96, 058002 (2006). 8. C. Daraio and V.F. Nesterenko, in Shock Compression of Condensed Matter, edited by M. Elert, M.D. Furnish, R. Chau, N.Holmes, and J. Nguyen, AIP Conf. Proc. No. 978 (AIP, New York, 2007), p. 1419. 9. J.N. Munday, C.B. Bennet, J. Acoust. Soc. (2002). 10. P.G. Luan and Z. Ye, Phys. Rev. E 63, (2001). 11. M.A. Porter, C. Daraio, I. Szelengowicz, E.B. Herbold, and P.G. Kevrekidis, Physica D 238, 666 (2009). 12. P.G. de Gennes, Europhys. Lett. 35, 145 (1996). 13. X. Jia, C. Caroli, and B. Velicky, Phys. Rev. Lett. 82, 1863 (1999). 14. S. Parmley et al., Appl. Phys. Lett. 67, 777 (1995). 15. D. Griffiths and C. Steinke, Am. J. Phys. 69, 137 (2001). Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �¿Contribuyen la ciencia y la tecnología a abatir la pobreza? Gustavo Viniegra González, Departamento de Biotecnología de la UAM-Iztapalapa vini@xanum.uam.mx Carlos Viniegra Beltrán Facultad de Derecho de la Universidad Panamericana en la Ciudad de México carlos@viniegra.org RESUMEN El desarrollo científico es una condición necesaria, pero no suficiente, para que un país prospere y alcance un alto nivel de desarrollo humano. Sólo cuando la ciencia se transforma en tecnología y ésta genera patentes y otras formas de conocimiento de uso restringido, se convierte en factor útil para el combate de la pobreza. PALABRAS CLAVE Ciencia, tecnología, pobreza. ABSTRACT Scientific development is a necessary but not sufficient condition for having prosperity and a high level of human development in a given country. Only when science is transformed into technology, generating patents and other forms of restricted know-how, then scientific knowledge becomes a useful resource in the struggle against poverty. KEYWORDS Science, technology, poverty. Artículo publicado en la Revista Ciencia, Vol. 61, No. 4, correspondiente a octdic 2010. Reproducido con autorización de la Academia Mexicana de Ciencias y revisado por los autores. INTRODUCCIÓN En muchos foros se ha indicado que el desarrollo de la ciencia y la tecnología propias será el camino más seguro para resolver el problema de la pobreza prevaleciente en América Latina. Por ello, consideramos necesario analizar este concepto en función de un enfoque global sobre el desarrollo económico y social. Aquí se indica que esto depende del proyecto de cada nación, con dos alternativas fundamentales: a) la continuación del modelo como país dependiente, que intenta aprovechar su menor costo de mano de obra como ventaja comparativa en el mercado global, para la exportación de materias primas agrícolas, petróleo, minería o productos industriales ensamblados, o b) el modelo alternativo y emergente de un país competidor en los mercados internacionales, con un creciente valor agregado de su producción, asociado a la asimilación activa de la tecnología. También sustentamos la idea de que la distribución de la riqueza es afectada por la aplicación acelerada de los conocimientos científicos al desarrollo económico, pero requiere de una economía equilibrada entre las grandes y Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 49 �¿Contribuyen la ciencia y la tecnología a abatir la pobreza? / Gustavo Viniegra González, et al. pequeñas empresas, para que de esa manera los beneficios de la tecnología avanzada se distribuyan en redes complejas de producción, transformación y distribución de bienes y servicios con un valor agregado cada vez mayor. APRENDIZAJE ACTIVO Vs. APRENDIZAJE PASIVO En la literatura sobre el desarrollo económico tardío se mencionan dos modelos contrastantes: a) el de la asimilación activa de la tecnología (learning by doing) y b) el desarrollo con asimilación pasiva de la tecnología (learning by using). El primer modelo, puesto en práctica en Japón, Corea del Sur, Taiwán y China, ha sido descrito por diversos autores (Johnson, 1982; Amsden, 1989; Aoki y colaboradores, 1998; Castells, 1996) y tiene las siguientes características: en el despegue de la economía ocurre una industrialización acelerada que utiliza versiones adaptadas y desagregadas de la tecnología industrial occidental. Al arranque de este modelo, se construyen redes de pequeñas empresas rurales o suburbanas que producen piezas, componentes o materias primas intermedias, usando la mano de obra disponible y haciendo el ensamblado o montaje final en grandes empresas urbanas. Estas últimas proporcionan a las primeras suficiente capital, tecnología y servicios comerciales para vender los productos en los mercados locales e internacionales. Este modelo tuvo como antecedente a las redes para la fabricación de piezas de relojería de Suiza en el siglo XVII (Federation of the Swiss Watch Industry FH, 2009) y también se ha observado con diversas variantes en las economías de los países escandinavos y de los Países Bajos, especialmente durante la primera mitad del siglo XX. El segundo modelo fue puesto en práctica en América Latina después de la segunda guerra mundial. Se sustentó en las exportación de materias primas y la sustitución de manufacturas importadas con poca competencia externa, usando tecnología importada lista para usarse (llave en mano). En este modelo no se observa una estrategia para el aprendizaje tecnológico ni para dar cauce al proceso de urbanización generado por la población rural desocupada, la cual migra a las ciudades de cada país e inclusive al extranjero, creando grandes grupos de personas subempleadas, 50 desprovistas de oportunidades para el aumento de sus capacidades. Con ello, se estanca la productividad, se deprimen los niveles salariales, y se mantiene la desigualdad económica. Para contrastar la evolución de estos dos modelos, se analizarán a continuación las trayectorias del desarrollo económico y tecnológico de Corea del Sur, como ejemplo del primer modelo, y de Brasil y México, como ejemplos del segundo. CREACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA RIQUEZA El tema central de la comparación se relaciona con el hecho que el ingreso promedio per cápita de Corea del Sur creció desde 1970 con una tasa muy superior a la de Brasil y México, según se muestra en la figura 1. Y además, lo hizo con una disminución acentuada de la desigualdad en la distribución de la riqueza, medida con el coeficiente de desigualdad llamado “de Gini” (Gi), mostrado en la figura 2, acompañado, a su vez, de una elevación considerable del bienestar Fig. 1. Evolución del PIB per cápita en USD-PPP (US dollars at Purchasing Power Parity) a precios constantes de 1980, de: Corea del Sur( ), Brasil ( ) y México ( ). Las tasas promedio de crecimiento fueron: Corea del Sur, 8%; Brasil, 3%; y México, 5%. Fuente: Banco Mundial. Fig. 2. Evolución del coeficiente de Gini en Corea del Sur ( ), Brasil ( ) y México ( ). Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �¿Contribuyen la ciencia y la tecnología a abatir la pobreza? / Gustavo Viniegra González, et al. lista general. Brasil y México pertenecen al segundo, con los lugares 75 y 53, respectivamente. Todo lo anterior indica que Corea del Sur ha logrado resolver el problema de la pobreza en tres décadas, y que Brasil y México aún tienen mucho que hacer en este tema. Fig. 3. Evolución del Índice de Desarrollo Humano en Corea del Sur ( ), Brasil ( ) y México ( ). social, evaluado por el índice de desarrollo humano (IDH), mostrado en la figura 3. Conviene resaltar que en Corea del Sur, el coeficiente de Gini ha tenido una tendencia decreciente durante los últimos 30 años, con un valor inferior a 0.4, y un valor promedio cercano a 0.34. En cambio, México presentó valores en la banda superiores a 0.43 e inferiores a 0.55, con un valor promedio de 0.48. Los datos sobre el coeficiente de Gini se reflejan en los valores del índice de desarrollo humano, pues en 1980 Corea del Sur tenía un valor intermedio del índice de desarrollo humano (0.722), comparable con el de Brasil (0.685) y México (0.756). Pero para 2007, Corea del Sur ya los había superado con un valor de índice de desarrollo humano igual a 0.937, mientras que el coeficiente de Gini, el IDH de Brasil era de 0.813 y el de México 0.854 El éxito de Corea del Sur es espectacular: al final de la guerra con Corea del Norte (1948) era un país miserable, ya que, según Adelman (1997) a mediados de los 1960 tenía un ingreso medio per cápita inferior a 100 dólares. Ahora es un país desarrollado, con un alto nivel de vida y un ingreso medio per cápita de más de 20 mil dólares (véase la figura 1). El Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) publicó en 2009 una lista de 182 países, divididos en cuatro grupos. Aquí destacamos dos: a) los 38 países con muy alto desarrollo humano (índice de desarrollo humano IDH mayor de 0.9), y b) los 46 países con desarrollo humano alto (índice de desarrollo humano IDH entre 0.803 y 0.895). Corea del Sur pertenece al primer grupo, con el lugar 26 de la Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 DESARROLLO CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO DE COREA DEL SUR, BRASIL Y MÉXICO En la figura 4 se indica la evolución de las publicaciones científicas de Corea, Brasil y México. En el quinquenio de 1976 a 1980, las producciones anuales promedio de las publicaciones científicas archivadas en el ISI Web of Knowledge fueron de 124, 1850 y 1031, respectivamente. Claramente, en esas fechas, Brasil y México tenían una superioridad científica sobre Corea del Sur. Pero durante el cuatrienio de 2006 a 2009, la producción media anual de publicaciones científicas para cada país, fue de 37 mil 018 para Corea; 27 mil 692 para Brasil y 9 mil 245 para México. La tasa de crecimiento anual media de la ciencia de Corea del Sur fue explosiva (18.1 por ciento), comparada con 8.3 por ciento de Brasil y 6.7 por ciento de México. Para comparar el desarrollo de la ciencia con la tecnología, puede utilizarse el coeficiente, τ, definido como sigue: Fig. 4. Publicaciones científicas. Número de artículos registrados en el ISI-Web of Science con autores de Corea del Sur ( ), Brasil ( ) y México ( ). Se indican los valores promedio anual de los quinquenios indicados. Los valores del quinquenio de 1976 a 1980, fueron de 124, 1850 y 1031, respectivamente. Para el período de 2006 a 2009, fueron de 35018, 27692 y 9245, respectivamente. Las tasas promedio de crecimiento anual de 1976 a 2009, fueron: 18.1%, 8.3% y 6.7%, respectivamente. 51 �¿Contribuyen la ciencia y la tecnología a abatir la pobreza? / Gustavo Viniegra González, et al. τ = patentes registradas, en EUA / artículos científicos con autores de la misma nacionalidad. Este índice es una medida de la transferencia de conocimiento científico a la tecnología competitiva de cada país. La figura 5 indica la evolución de este índice. En 1976 se tenían los valores de τ = 1.62 por ciento, 1.17 por ciento y 4.37 por ciento (Corea, Brasil, México). De ahí se infiere que hace más de 30 años México no sólo tenía una mayor producción científica que Corea del Sur, también transfería mejor su conocimiento hacia la tecnología. En el último cuatrienio, las cifras fueron τ = 25.9 por ciento, 0.74 por ciento y 1.63 por ciento, respectivamente. Por tanto, durante estos últimos 35 años Corea no solamente se ha convertido en un país competitivo en conocimientos científicos propios, sino que ha logrado transferir con gran eficiencia sus conocimientos científicos a la tecnología, cosa que no ha ocurrido en Brasil ni en México. El aprovechamiento de las patentes de autores de cada país por las empresas del país respectivo se puede calcular usando el coeficiente ρ, definido como: ρ = patentes con beneficiarios de un país / patentes con autores del mismo país. Fig. 5. Evolución de la proporción entre patentes en EUA y publicaciones científicas indexadas con autores de: Corea del Sur ( ), Brasil ( ) y México ( ). La relación está expresada en forma fraccionaria y en escala logarítmica. Los datos provienen del ISI Web of Science y de la US Patent Office. en el quinquenio de 1976 a 1980, los valores de τ fueron: 1.17%, 1.62% y 4.37%, respectivamente. Los valores para el trienio de 2006 a 2009 fueron: 0.74%, 25.90% y 1.63%, respectivamente. 52 En la figura 6 se observa que en el quinquenio centrado en 1976-1980 los valores de ρ, fueron 10 por ciento, 22 por ciento y 16 por ciento, respectivamente. En ese periodo de tiempo, los inventores de esos tres países tuvieron dificultades para conseguir apoyo de beneficiarios o financiadores de la invención en su propio país. Pero en el último cuatrienio los valores de ρ fueron 94 por ciento, 38 por ciento y 20 por ciento, respectivamente. Al multiplicar los dos factores se obtiene un índice combinado de eficiencia, ε = ρτ. En forma breve, los valores de ε durante el último cuatrienio fueron de 25 por ciento para Corea del Sur y cerca de 0.3 por ciento para Brasil y México. Esto prueba que Corea del Sur construyó un sistema integrado y eficiente de alta productividad científica y tecnológica, cosa que no ocurrió ni en Brasil ni en México. Otra forma de ver este problema es analizar la proporción del Producto Interno Bruto dedicado al fomento de la ciencia y la tecnología. En Corea del Sur, este gasto ha sido, por más de tres décadas, igual o superior al 2 por ciento del Producto Interno Bruto. En Brasil la cifra se acerca al 1 por ciento, y en México, al 0.4 por ciento. Además, en Corea del Sur las empresas aportan cerca del 70 por ciento de ese gasto, mientras que para Brasil y México esta proporción es inferior al 50 por ciento. Del conjunto de los datos anteriores, proporcionados por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), podemos inferir que Corea del Sur ha fomentado a la ciencia y tecnología como un factor esencial para su desarrollo, cosa que no ha sucedido ni en México ni en Brasil. Fig. 6. Proporción porcentual de las patentes registradas en EUA por autores de los países indicados que tienen beneficiarios de los mismos. Corea del Sur ( ), Brasil ( ) y México ( ) Datos quinquenales de la US Patent Office. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �¿Contribuyen la ciencia y la tecnología a abatir la pobreza? / Gustavo Viniegra González, et al. Fig. 7. Distribución fraccional de la distribución acumulada de las 500 empresas más grandes de México, según la lista de Expansión de 2008. La curva punteada corresponde a la hipótesis de una distribución igualitaria (todas las empresas facturarían el mismo monto). La curva sólida, a la facturación observada. el coeficiente Gi=0.7656 es la diferencia de áreas entre esas dos curvas. el valor total de la facturación fue de 0.584 billones de dólares (37% del PIB) con un tipo de cambio de 13 pesos por USD. La línea con cuadros corresponde al porcentaje de la facturación de cada decil. LA DESIGUALDAD DEL DESARROLLO EMPRESARIAL MEXICANO Y SU RELACIÓN CON EL ATRASO TECNOLÓGICO En la figura 7 se muestra la distribución, en 2008, de la facturación de las 500 empresas más grandes de México, que correspondió aproximadamente a 580 mil millones de dólares (37 por ciento del Producto Interno Bruto), según datos publicados en 2009 por la revista Expansión (http://www.cnnexpansion.com). Dentro de estas 500 empresas, la facturación de las 50 más grandes (el decil superior), que incluyen a 19 de capital internacional, correspondió a 390 mil millones de dólares (24.6 por ciento de Producto Interno Bruto) y las 50 últimas empresas de esa lista (el decil inferior) sólo facturaron 944 millones de dólares (0.16 por ciento del Producto Interno Bruto). Estos datos demuestran una distribución inequitativa, con un coeficiente de Gini (EMPRESARIAL) de 0.766 de la facturación analizada. El análisis de las patentes registradas en Estados Unidos desde 1976 hasta 2009, a nombre de las 50 empresas más grandes, mostró sólo 33 documentos. También, durante ese periodo, la Oficina de Patentes de Estados Unidos asignó 726 patentes a personas Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 (físicas o morales) mexicanas. Esto indica que las 50 empresas más grandes de México sólo obtuvieron el registro del 0.045 por ciento de todas las patentes registradas en Estados Unidos con beneficiarios mexicanos. Esta gran discrepancia entre la posición dominante de las empresas más importantes y su desatención de la tecnología propia merece ser discutida a la luz de las diferencias entre dos grandes conglomerados o consorcios: el grupo mexicano Carso, que en 2008 facturó 88.8 mil millones de dólares y desde 1976, sólo ha registrado 22 patentes a nombre de cualquiera de sus subsidiarias, y el grupo coreano Samsung, que en 2008 facturó la cantidad de 173.4 mil millones de dólares (http://www.samsung.com) y tiene registradas a su nombre 33 mil 976 patentes en los archivos de la Oficina de Patentes de Estados Unidos. Estos datos ilustran las discrepancias entre los conglomerados de empresas coreanas (chaebols) y los conglomerados mexicanos. Los primeros tienen un alcance global y apoyan su productividad en la alta tecnología propia, siguiendo la práctica de “learning by doing”. En cambio, los segundos se sustentan en una posición dominante en un mercado interno, protegidos del exterior por barreras no arancelarias, y siguen la práctica de “learning by using”. Podemos inferir que para los conglomerados coreanos la inversión en desarrollo tecnológico no tiene fines filantrópicos para generar mayor valor social (aunque lo hacen). Más bien es una estrategia que les permite ser más grandes y ricos que los conglomerados mexicanos, y dicho sea de paso, esa estrategia permitió erradicar casi por completo la pobreza en Corea del Sur. Es interesante notar que ninguna de las 19 empresas internacionales más importantes de México ha registrado en Estados Unidos patentes con domicilio postal mexicano. Pero las mismas empresas si cuentan con más de 50 mil patentes registradas a su nombre, con direcciones postales en sus países de origen. Estos datos indican que, dentro de las cadenas globales, México funciona como prestador de servicios de bajo valor agregado y no tiene las condiciones para emerger como país competidor en el mercado mundial. 53 �¿Contribuyen la ciencia y la tecnología a abatir la pobreza? / Gustavo Viniegra González, et al. LAS ESPIRALES DEL DESARROLLO ECONÓMICO Por todo lo anterior, planteamos la existencia de dos espirales para el desarrollo económico: a) La espiral virtuosa de la productividad creciente basada en la estrategia tecnológica activa (learning by doing). Consiste en el desarrollo de un sistema económico equilibrado entre pequeñas empresas proveedoras de bienes y servicios y grandes empresas promotoras del mercado. Los beneficios económicos de las pequeñas empresas son suficientes para financiar su desarrollo tecnológico y, como resultado de una mayor simetría del mercado interno (bajo coeficiente de Gini de la facturación empresarial) y de su desarrollo tecnológico, las empresas grandes reinvierten sus ganancias en una mejor integración tecnológica. Esto genera una espiral rápidamente ascendente de crecimiento económico compartido con las pequeñas empresas, con la consiguiente disminución del coeficiente de Gini de la distribución del ingreso familiar en la población por incremento del nivel de empleo especializado bien remunerado. b) La espiral viciosa de la baja productividad basada en la estrategia tecnológica pasiva (learning by using). Consiste en el desarrollo de un sistema empresarial asimétrico, con alto coeficiente de Gini de la facturación empresarial, que impide a las pequeñas empresas el acceso a mercados rentables y redunda en pocos alicientes para la innovación tecnológica. Dado que las grandes empresas pueden importar tecnología prefabricada, porque mantienen altos márgenes de ganancias merced a la transferencia de altos precios al mercado interno, no tienen alicientes para invertir en el desarrollo de tecnología propia. Y como las pequeñas empresas no tienen recursos económicos suficientes para pagar sus propios desarrollos tecnológicos, el ciclo se reproduce. Lo anterior significa que un alto valor del coeficiente de Gini en la facturación empresarial fomenta la mala distribución del coeficiente de Gini del ingreso familiar, lo que a su vez impide el combate a la pobreza y a la marginación social. 54 CONCLUSIONES Los datos aquí presentados indican que el desarrollo científico es una condición necesaria, pero no suficiente, para que un país prospere y alcance un alto nivel de desarrollo humano. La condición que hace suficiente que la ciencia sea un factor útil para el combate a la pobreza es la transformación de ésta en tecnología para que, convertida en patentes y otras formas de conocimiento de uso restringido, pueda ser utilizada por las empresas en su afán por competir tanto en el mercado interno como en el mundial. Para que la ciencia se asocie eficientemente con la tecnología y ésta con el combate a la pobreza, se requiere la integración de cadenas productoras de bienes y servicios que equilibren la participación de las pequeñas y grandes empresas, aumentando el empleo y el ingreso con metas definidas para el incremento del valor agregado de la economía. Esto implica una estrategia de estímulos y de fomento al proceso de asimilación activa de la tecnología (learning by doing), discutido anteriormente. En naciones como México, que enfrentan el futuro sin una estrategia integrada de ciencia y tecnología ligada al desarrollo industrial y sin un aumento de las capacidades humanas, pero, con asimilación pasiva de la tecnología (learning by using), el desarrollo de la ciencia por sí sola no mejora mucho la productividad ni la distribución del ingreso, y por ello, se vuelve muy difícil combatir a la pobreza. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �¿Contribuyen la ciencia y la tecnología a abatir la pobreza? / Gustavo Viniegra González, et al. LECTURAS RECOMENDADAS • Adelman, I. (1997), “Social development in Korea, 1953-1993”, en Cha, D-S, K-S Kim y D. H. Perkins, The Korean economy, 1945-1995, performance and vision for the 21st century, Seúl, Korean Development Institute. • Amsden, A. H. (1989), Asia’s next giant: South Korea and late industrialization, Nueva York, Oxford University Press. • Aoki, M., H-K Kim y M. Okuno-Fujiwara (1998), The role of government in East Asian economic development: comparative institutional analysis, Oxford, Clarendon Press. • Castells, M. (1996), “The rise of the network society” (The information age: economy, society and culture, volume 1), Malden, Massachusetts, Blackwell Publishers. • Federation of the Swiss Watch Industry FH, (2009), “A short tale of history”, www.fhs. ch/en/history.php. • Johnson, C. A. (1982), MITI and the Japanese miracle, Stanford University Press, p. 412. FUENTES DE DATOS • Para las patentes: United States Patent and Trademark Office. • Para el Producto Interno Bruto per cápita: El método atlas (US$ nominal), desarrollado por el Banco Mundial en 2009. • Para el Índice de Desarrollo Humano: El Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) y el Banco Mundial. • Para el coeficiente de Gini de México: Distribución del ingreso en México: Banco de México, Ensayos, Documento 37; Carrillo Huerta, M. M. y H. V. Vázquez Mateos (2005), “Desigualdad y polarización en la distribución del ingreso salarial en México”, Problemas del Desarrollo, 36(141), pp. 109-130; Cortés, F. (2009), Pobreza, desigualdad en la distribución del ingreso y crecimiento económico, México, 1992 a 2006, México, El Colegio de México. • Para el coeficiente de Gini de Corea del Sur: Kwon Hyun, Jin y Byung-In Lim (2002), Income distribution in Korea: empirical evidence from OECD guideline, Korea institute of Public Finance, University of Wyoming; Choi, K. (2003), Measuring and explaining income inequality in Korea, Korea Development Institute; Central Intelligence Agency (CIA), The world fact book (www.cia.gov/library/publications/the-worldfactbook/fields/2172.html); esta misma fuente fue utilizada para consultar el coeficiente de Gini de Brasil. Revista de la Academia Mexicana de Ciencias www.revistaciencia.amc.edu.mx email: rciencia@servidor.unam.mx Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 55 �Efecto del reforzamiento y la velocidad de enfriamiento en las propiedades mecánicas de la aleación AlMgSi Regino Castro GrelaA, Bernardo Campillo IllanesB, C, Socorro Valdez RodríguezC CIICAp-FCQeI-UAEMor Facultad de Química, UNAM C Instituto de Ciencias Físicas, UNAM svaldez@fis.unam.mx A B RESUMEN Una aleación AlMgSi reforzada con partículas de carburo de silicio (SiCp), fue fabricada mediante el método de vórtex, y luego vaciada en un molde de cobre y enfriada en nitrógeno líquido para lograr una elevada velocidad de enfriamiento. La aleación AlMgSi y el compuesto AlMgSi-SiCp fueron también solidificados en un molde de arena sílica para evidenciar la influencia que ejerce la velocidad de enfriamiento sobre la dureza, el esfuerzo de cedencia y el esfuerzo último. Los resultados arrojan una mejora en dichas propiedades al aumentarse la velocidad de enfriamiento. La aleación AlMgSi sin reforzamiento, con respecto de la aleación reforzada, presenta menores valores de dureza. El efecto del reforzamiento aunado a la velocidad de enfriamiento propician una combinación clave para modificar la dureza, el esfuerzo de cedencia y el esfuerzo último de la aleación AlMgSi. PALABRAS CLAVE Aleación AlMgSi, propiedades mecánicas, partículas de SiC, velocidad de enfriamiento. ABSTRACT An AlMgSi alloy reforzed with silicon carbide particles was produced by the vortex method, poured into a copper mold and cooled with liquid nitrogen for getting a high cooling rate. The influence of high cooling rate was compared with a cooling rate from a silica-sand mould. The results showed an improvement in mechanical properties (hardness, yield tension stress, ultimate tension stress) at high cooling rate. In addition, the AlMgSi alloy shows a lower hardness than the reforzed AlMgSi alloy. The reforcement and cooling rate effect are a key combination to modify the mechanical properties in an AlMgSi alloy. KEY WORDS AlMgSi alloy, mechanical properties, SiC particles, cooling rate. 56 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Efecto del reforzamiento y la velocidad de enfriamento en las propiedades mecánicas... / Regino Castro Grela, et al. INTRODUCCIÓN El Aluminio y sus aleaciones, combinan sus propiedades de ductilidad, conformabilidad y baja densidad con las propiedades del material de refuerzo tales como: dureza, estabilidad química y térmica de las partículas cerámicas. Una de las combinaciones más estudiadas es el sistema SiC/Al, caracterizado por una buena resistencia al desgaste y alta conductividad térmica.1 El interés en la adición de magnesio a la matriz de aluminio, está motivado por la aplicación de las aleaciones AlMg y AlMgSi en la industria automotriz y aeroespacial, debido a su alta resistencia mecánica y bajo peso. Además, es posible obtener excelentes propiedades mecánicas, a través de tratamientos térmicos, con los cuales se forma la fase β-Mg2Si cuya estructura cristalina es la cúbica centrada en la cara: ccc (a = 0,639nm). Se ha reportado la presencia de esta fase con una distribución uniforme tanto en la matriz, como en el límite de grano.2 La elección de SiCp como reforzante, es debido a que las partículas de carburo de silicio, poseen propiedades de alta dureza y bajo coeficiente de expansión térmica, además de ser resistentes al desgaste, con buena resistencia mecánica a temperaturas elevadas y resistencia al choque térmico.3 En comparación con las aleaciones metálicas, los compuestos de matriz metálica reforzados con partículas cerámicas (MMCs) presentan mayor resistencia mecánica, superior dureza, elevada conductividad térmica y mayor estabilidad dimensional. Inclusive muchos materiales compuestos son utilizados por su elevada resistencia al desgaste y alto módulo específico.4 Los compuestos de matriz metálica son considerados como excelentes candidatos en aplicaciones estructurales, aeronáutica-aeroespacial, o en la industria automotriz. Conjuntamente con el tratamiento térmico, la ruta de preparación de todo material, juega un papel importante, para la obtención de excelentes propiedades mecánicas tales como la dureza, el esfuerzo de cedencia y el esfuerzo último. La síntesis de materiales compuestos a través del método de vórtex, ha dado excelentes resultados en la distribución homogénea del reforzante, disminución de la porosidad y la eliminación de reacciones químicas secundarias.5 La importancia Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 en la disminución de la microporosidad, genera beneficios en el refinamiento del grano,6 mientras que el incremento de esta porosidad debido a gas disuelto, tiende a aumentar el tamaño de grano. Debe considerarse, que la contracción o rechupe durante el proceso de solidificación, es un efecto importante para la presencia de microporosidad. Sin embargo, resultados previos con el método de vórtex han reportado la disminución de la porosidad.3 En la presente investigación, la aleación AlMgSi fue reforzada con partículas de carburo de silicio (SiCp), mediante el método de Vórtex (figura 1) y posteriormente solidificada en un molde de cobre con forma de cuña, el cual fue sumergido en nitrógeno líquido (72.2K/196ºC) con la finalidad de acelerar la velocidad de enfriamiento durante el proceso de solidificación. Fig. 1. Figura esquemática del equipo de vórtex. Una elevada velocidad de enfriamiento comprendida entre 10 2 y 10 6 K/s, provoca un subenfriamiento en el líquido, iniciando el proceso de nucleación lejos de las condiciones de equilibrio, lo cual conduce a la obtención de sólidos con microestructuras7 y propiedades diferentes8 a las obtenidas mediante velocidades de enfriamiento convencional. En este trabajo, se reportan las propiedades de dureza, esfuerzo de cedencia y esfuerzo último correspondientes a la aleación AlMgSi y AlMgSi-reforzada, ambas solidificadas a diferentes velocidades de enfriamiento. Además se realiza una comparación entre estos resultados y las propiedades de dureza, esfuerzo de cedencia y esfuerzo último, para los mismos sistemas, solidificados a velocidades de enfriamiento convencional. 57 �Efecto del reforzamiento y la velocidad de enfriamento en las propiedades mecánicas... / Regino Castro Grela, et al. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL La fabricación del material reforzado, se realizó mediante el Método de Vórtex (figura 1). Este es un proceso simple y económico, que tiende a favorecer la incorporación del material de refuerzo, en este caso las partículas cerámicas de SiC, en la aleación matriz AlMgSi. El método de vórtex, consiste en agitar vigorosamente la aleación AlMgSi calentada a una temperatura arriba de la temperatura líquidus, al mismo tiempo que las partículas de refuerzo (SiC) precalentadas son adicionadas en el vórtex formado.9 Para la fabricación del material compuesto, se inició con la preparación de la aleación AlMgSi, utilizando elementos de pureza comercial (Al 98.5% y Mg 99.9% de pureza). Los elementos Al (660 °C) y Mg (650 °C) fueron colocados en un crisol de alúmina, e introducidos al interior de un horno de resistencia a 700 °C, previamente precalentado junto con el Si (1414ºC) a 300 ºC durante 15 mins. Se utilizó una mezcla de sales fundentes (KCl + NaCl en relación 1:1) para evitar el contacto del baño líquido con el ambiente y la oxidación de los elementos Al y Mg. Las partículas cerámicas de SiC fueron precalentadas con un horno eléctrico a 870°C, durante 15 minutos, y entonces adicionadas a una velocidad de 30 g/min a la aleación matriz de AlMgSi mediante el Método de Vórtex; el vórtex fue creado con la ayuda de un agitador mecánico que gira a una velocidad de 1150 rpm, agitando el baño líquido durante 15 minutos para obtener una buena homogeneización. Se agregó como desescoriador 2% de NaF. El compuesto AlMgSiSiCp fue desgasificado con el crisol dentro del horno, con la finalidad de propiciar la reacción entre el desescoriador y el gas, para generar una escoria ligera, así como para eliminar el hidrógeno disuelto y evitar microporosidades en el sólido. Se retiró la escoria mecánicamente y el baño líquido de AlMgSiSiCp fue vertido en dos diferentes tipos de molde (figura 2 y 3). El SiC fue agregado en dos cantidades diferentes de 5 y 10% en peso. Uno de los moldes fue realizado con arena sílica (figura 1). Y el segundo molde está constituido con la forma de cuña, con paredes frontales de cobre y laterales de arena sílica; este molde fue enfriado 58 Fig. 2. Molde de arena sílica. El círculo en el interior indica la posición del termopar. Fig. 3. Esquema del molde en forma de cuña. Con paredes frontales de cobre y laterales de arena sílica. mediante su inmersión dentro de un tanque de poliestireno extruido lleno de nitrógeno líquido durante 30 minutos (figura 2) previos al proceso de colado. En ambos moldes, se colocaron termopares cromel/alumel tipo K, de 0.0003m de calibre, cubiertos por canutillos de cerámica de 0.0016m de diámetro. En el molde de cobre, se distribuyeron internamente tres pares de termopares a lo largo del molde, identificados como puntos P1, P2 y P3, iniciando desde la zona ancha de 5 cm (P1), a la zona angosta (P3); con la finalidad de registrar la temperatura y determinar la velocidad de enfriamiento durante el proceso de solidificación. La tabla I, reporta la composición química del compuesto AlMgSi-SiCp, obtenida mediante espectroscopía óptica de emisión, la cual está basada en la longitud de onda característica de cada elemento; el análisis se realizó mediante un espectrómetro Modelo LAX X8-WINDOWS, marca SPECTROLAB con 15 canales analíticos, que opera bajo ambiente de computación de Microsoft Windows; los resultados reportados corresponden al promedio de cinco análisis, los cuales fueron realizados en tres regiones diferentes de las probetas de AlMgSi y AlMgSi-SiCp. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Efecto del reforzamiento y la velocidad de enfriamento en las propiedades mecánicas... / Regino Castro Grela, et al. Tabla I. Composición química del compuesto Al-Mg-SiC (at. %). Tabla II. Velocidad de enfriamiento (K/s) determinada a partir de los termopares en el molde de arena (Pa) y en tres posiciones (P1, P2 y P3) en el molde de cobre. Elementos AlMgSi Material AlMgSi -5%SiCp AlMgSi 10%SiCp Si 1.160 5.150 10.700 Material Pa P1 P2 P3 Mg 9.920 9.880 9.600 AlMgSi 5.3 52.0 74.0 140.0 otros 0.770 0.800 0.098 AlMgSi-5%SiCp 6.0 56.0 128.0 250.0 Al Bal. Bal. Bal. AlMgSi-10%SiCp 9.0 83.0 156.0 290.0 Los lingotes fueron cortados a lo largo de la sección longitudinal, paralelo a la posición del termopar. Posteriormente fueron desbastados con papel lija esmerilada para agua de No. 80 hasta No. 1200 de carburo de silicio, pasando por: No. 240, No. 320, No. 400, No. 600. Se pulieron utilizando un paño de fieltro microcloth embebido en un abrasivo de alúmina grado 5.0μ, 1.0μ, 0.3μ y 0.05μ. A continuación, fueron atacadas con reactivo Keller durante 30 seg. La preparación metalográfica fue llevada a cabo para realizar los ensayos de microdureza sobre la matriz de la aleación AlMgSi y del compuesto AlMgSi-SiCp. Los ensayos de microdureza Vickers se realizaron en todas las muestras, las obtenidas por el molde de arena y el molde de cobre con forma de cuña. Las muestras fueron identadas con un Microdurómetro modelo INSTRON serie 210013. Se aplicó una carga de 980.70 mN durante 10 s. La dureza se determinó mediante el análisis de las diagonales de cada marca identada. Cada valor reportado, es el promedio de 5 mediciones en regiones diferentes de la muestra. Los valores de esfuerzo último y punto de cedencia, se obtuvieron a partir de ensayos de tensión realizados con una máquina INSTRON a temperatura ambiente y 3 x 10-3 s-1 en velocidad de deformación. Las muestras para el ensayo de tracción (25 x 6 x 5 mm) fueron maquinadas siguiendo la norma ASTM B557M. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La tabla II, reporta la velocidad de enfriamiento medida a partir de los termopares. La literatura, indica que se han estudiado condiciones de enfriamiento que van desde 10-6 K/s para grandes lingotes comerciales, hasta 109 K/s, para muestras solidificadas rápidamente, enfocadas principalmente en los cambios microestructurales. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Velocidad de Enfriamiento (K/s) En este trabajo, los elevados valores de la velocidad de enfriamiento corresponde a 290 K/s, para el molde de cobre, alcanzado con el enfriamiento en nitrógeno líquido. El cobre puede producir elevadas velocidades de enfriamiento para una colada convencional.4 Los datos reportados en la tabla II, muestran que es posible generar una solidificación rápida a través de un elevado enfriamiento controlado por el diseño y tipo de molde. Evidentemente, la velocidad de enfriamiento aumenta de 15.7% (porcentaje en K/s) a 47.15% para la matriz AlMgSi, a medida que el acercamiento entre las dos paredes de cobre disminuye, es decir hacia la punta del molde. Otro aumento en la velocidad de enfriamiento, se observa con la adición de partículas cerámicas (SiC) a la matriz AlMgSi, esta influencia se hace notoria en el molde de arena, debido a que el porcentaje de enfriamiento va del 7.8% (porcentaje en K/s) para 5% SiCp a 33.4% (porcentaje en K/s) para 10% SiCp. En este caso, se aprecia claramente la influencia de la adición del cerámico a la matriz, dado que la velocidad de enfriamiento en arena es 46.7 veces menor que para el punto P1 (posición del termopar en el punto 1, zona ancha de 5cm para el molde de cobre). Resultados similares, han sido obtenidos por J. Cai y col. para una aleación A356. Ellos reportan un incremento en la velocidad de enfriamiento con la adición de partículas de Al2O3.10 La adición de partículas cerámicas al metal fundido, introduce un número mayor de sitios de nucleación y reduce el subenfriamiento, acelerando por lo tanto, el proceso de solidificación. Dado que se considera que las partículas de SiCp actúan como sitios de nucleación, su presencia interfiere al proveer de un mayor número de superficies que disminuyen la barrera energética del subenfriamiento aumentando el proceso de nucleación. 59 �Efecto del reforzamiento y la velocidad de enfriamento en las propiedades mecánicas... / Regino Castro Grela, et al. Debe considerarse también, que el incremento en la velocidad de enfriamiento, propicia un decremento sobre la temperatura de subenfriamiento durante el proceso de nucleación. Este fenómeno origina un incremento en la temperatura de nucleación, como consecuencia la velocidad de solidificación aumenta, debido a la presencia de un mayor número de núcleos y aglomerados de átomos que tienden a crecer simultáneamente. Los resultados de la investigación, revelan que con el incremento en la velocidad de enfriamiento de 9 K/s en arena (Pa) a 290 K/s (P3) para el compuesto AlMgSi-10%SiCp se obtiene una mejora del esfuerzo de cedencia. El incremento en el esfuerzo último va de 275MPa para la velocidad más baja hasta 300 MPa para la velocidad de enfriamiento más alta (figura 4). En la figura 4, también están representadas las propiedades mecánicas de dureza, esfuerzo de cedencia y esfuerzo último, obtenidas con una colada convencional en molde de arena. Estas son comparadas con las obtenidas a elevada velocidad de enfriamiento del molde de cobre. Puede observarse la influencia benéfica que ejerce la elevada velocidad sobre las propiedades mecánicas. Es evidente que este mejoramiento en las propiedades mecánicas de la matriz y el material compuesto está gobernado tanto por el incremento en la velocidad de enfriamiento, así como por la adición de partículas cerámicas. Fig. 4. Representación de las propiedades mecánicas para AlMgSi, AlMgSi-5%SiCp y AlMgSi-10%SiCp a diferente velocidad de enfriamiento. 60 Puede observarse también, el influjo que ejercen las partículas cerámicas sobre la dureza, el punto de cedencia y el esfuerzo último. Estos incrementos están de acuerdo con lo reportado por G. H. Paulino y col.11 CONCLUSIONES La solidificación de la aleación AlMgSi y del material compuesto AlMgSi-SiCp a través de un molde de cobre en forma de cuña y el enfriamiento del molde con nitrógeno líquido, fue posible alcanzar velocidades de enfriamiento máximas de 250 y 290 K/s cercano en la punta del molde de cobre. Es importante destacar el mejoramiento en las propiedades mecánicas (dureza, punto de cedencia y esfuerzo último) a medida que la velocidad de enfriamiento se incrementa. Los más altos valores para dureza, punto de cedencia y esfuerzo último, fueron determinados para velocidades de enfriamiento de 290 K/s. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el financiamiento otorgado por DGAPA-UNAM-PAPIIT-IN105708. REFERENCIAS 1. M. Mahagundappa, H. L. Benal, H.K. Shivanand, Influence of heat treatment on the coefficient of thermal expansion of Al (6061) based hybrid composites, Mater. Sci. Eng. A(2006) 435–436, 745–749. 2. J. Xu, J.X. Zhang, S.W. Tang, W.C. Ren, Effect of transcrystallinity on tensile behaviour of discontinuous carbon fibre reinforced semicrystalline thermoplastic composites, Mater. Sci. Eng. A 433 (2006) 94–99. 3. S. Kumar, V. Balasubramanian. Effect of reinforcement size and volume fraction on the abrasive wear behaviour of AA7075 Al/SiCp, Tribology 43 (2010) 414-422. 4. Y M. Bayhan, K. Önel. Optimization of reinforcement content and sliding distance for AlSi7Mg/SiCp composites using response surface methodology, Mater. Design. 31 (2010) 3015-3022. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Efecto del reforzamiento y la velocidad de enfriamento en las propiedades mecánicas... / Regino Castro Grela, et al. 5. S. Valdez, B. Campillo, R. Pérez, L. Martínez, A. García H., Synthesis and microstructural characterization of Al–Mg alloy–SiC particle composite, Mat. Lett. 62 (2008) 2623-2625. 6. Lihong Han, Derek O. Northwood, Xueyuan Nie, Henry Hu, The effect of cooling rates on the refinement of microstructure and the nanoscale indentation creep behavior of Mg–Al–Ca alloy, Mater. Sci. Eng. A 512 (2009) 58–66. 7. M.A. Suarez, O. Alvarez, M.A. Alvarez, R.A. Rodriguez, S. Valdez, J.A. Juarez. Characterization of microstructures obtained in wedge shaped Al–Zn–Mg ingots. J. Alloys Comps. 492 (2010) 373–377. 8. R.M. Shalaby. Effect of rapid solidification on mechanical properties of a lead free Sn–3.5Ag solder. J. Alloys Comps. 505 (2010) 113–117. 9. M. Kök Abrasive wear of Al2O3 particle reinforced 2024 aluminium alloy composites fabricated by vortex method. App. Sci. Manufac. A 37 (2006) 457-464. 10. J. Cai, G. C. Ma, Z. Liu, H. F. Zhang, Z. Q. Hu., Influence of rapid solidification on the microstructure of AZ91HP alloy, J. Alloys and Comp. 422 (2006) 92–96. 11. G.H. Paulino and J.H. Kim, Mixed-Mode Crack Propagation in Functionally Graded Materials, J. Eng. Fract. Mech. 71 (2004) 1907. En el marco de las actividades del AÑO INTERNACIONAL DE QUÍMICA 2011 La Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través del Área de Química Industrial, en colaboración con los cuerpos académicos de Química y de Química Sintética, invitan a todos los interesados a participar en el: CONGRESO INTERNACIONAL DE QUÍMICA INDUSTRIAL 2011 A celebrarse en la Ciudad de Monterrey, Nuevo León del 5 al 8 de abril de 2011, en la Biblioteca Universitaria “Raúl Rangel Frías” de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Para mayores informes: Dr. Juan Manuel Alfaro Barbosa jualfaro@fcq.uanl.mx Tel.: 83294000 Ext. 6240 y 6241 o consultar la página: http://www.fcq.uanl.mx/ Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 61 �Compuestos β-aldólicos fotoluminiscentes como indicadores de deformación en polietileno Fernando A. Blanco-FloresA,C, Sofía Vázquez-RodríguezB,C, María G. Sánchez-AnguianoA, Arturo R. Vázquez-VelázquezB,C, Virgilio A. González-GonzálezB,C Facultad de Ciencias Química, UANL FIME-UANL C CIIDIT-UANL sofia.vazquezrd@uanl.edu.mx; virgilio.gonzalezgnz@uanl.edu.mx A B RESUMEN Se elaboraron películas mediante evaporación de solvente de una mezcla de polietileno de alta densidad (HDPE) con una serie de compuestos βaldólicos fotoluminiscentes, el 2,6-bis(p-fenileno)ciclohexanona y el poli[(2,5bis(octiloxi)-4-(3-oxo-1-butenil)benzaldeido].Los compuestos β-aldólicos en el HDPE mostraron una buena estabilidad térmica y óptica. Aparentemente, los compuestos β-aldólicos forman agregados en el HDPE, por lo que la emisión de fluorescencia de la película tiene un desplazamiento batocrómico de 12 nm con respecto a la emisión de la molécula del β-aldólico en solución. Se observó que las características ópticas podrían controlarse al someter a las películas a un proceso de calentamiento y rápido enfriamiento. Este efecto podría tener un gran potencial para el uso de los compuestos β-aldólicos como sensores de deformación en materiales plásticos. PALABRAS CLAVE Fluorescencia, polietileno, sensado, deformación, excímero. ABSTRACT Casting films of binary blends were prepared using high density polyethylene (HDPE) and a series of β-aldols photoluminescent the 2,6bis(p-phenylene)cyclohexanone) and poly[(2,5-bis(octyloxy)-4-(3-oxo-1butenyl)benzaldehyde)]. β-aldols photoluminescent compounds showed a good thermal and optical properties. Because of the β-aldols’strong tendencies to form aggregated into HDPE, the film photoluminescent emission showed a batochromic shifts of 12 nm compared to the photoluminescent emission spectra of β-aldol molecules in solution. It was shown that optic properties of the photoluminescent film could be controlled by cycles of heating and rapidly quenching. This effect could be a potential application to β-aldol molecules as internal strain sensor in plastics materials. KEYWORDS Fluorescence, polyethylene, sensor, deformation, excimer. 62 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Compuestos β-aldólicos fotoluminiscentes como indicadores de deformación en polietileno / Fernando A. Blanco Flores, et al. INTRODUCCIÓN El campo del sensado químico depende enormemente de nuevos materiales, como lo son los polímeros, partículas y nanoestructuras.1 Los polímeros fluorescentes conjugados han surgido como materiales que pueden transformar una señal química en una medición eléctrica o un evento físico.1 Existe una rama de sensores que utilizan moléculas orgánicas luminiscentes, que están basados en técnicas de fluorescencia y fosforescencia. Entre sus principales aplicaciones se encuentran:1 1) detección de explosivos, 2) detección de DNA, 3) sensado de iones pequeños, 4) polielectrolitos conjugados como biosensores, entre otras. También se han desarrollado estudios sobre el sensado de la deformación de materiales termoplásticos.2-8 El sensado consiste en incorporar oligómeros fotoluminiscentes (FL) a polímeros semicristalinos, y estudiar los cambios en las propiedades ópticas del oligómero provocados por reordenamientos moleculares del polímero. Los oligómeros conjugados FL que se han incorporado en polímeros, como polietileno (PE) y polipropileno (PP), han formado agregados estables de pocas moléculas. Las características de la emisión provienen sobre todo de la fluorescencia de cromóforos que interactúan a través de la sobreposición de enlaces π-π de las moléculas, lo cual recibe el nombre de excímero.9 Al aplicar una deformación mecánica a la película polimérica, se promueve la desintegración de los agregados que constituyen la fase dispersa. Al no haber excímeros, la fluorescencia emitida por la matriz se debe solo a la emisión individual de cada oligómero FL en estado excitado.4,6,7 C. Lowe y C. Weder3,10 utilizaron compuestos fotoluminiscentes de la familia oligomérica de los ciano p-fenilenovinileno (OPVs) como el 1,4bis(α-ciano-4-metoxiestiril)-2,5-dimetoxibenceno (BCMBD), 1,4-bis(α-ciano-4-metoxiestiril) benceno (BCMB) y 2,5-bis(α-ciano-4-metoxiestiril)tiofeno. Se mezclaron en copolímeros de polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) con 1.2% y 9.3% de octeno. Encontraron que al incrementar la concentración de los oligómeros, la intensidad de la banda correspondiente al rojo aumenta (entre 573 nm a 644 nm), y el efecto es mayor en el copolímero con 9.3% de octeno. Las películas fueron sometidas a un proceso de deformación de 300% observando Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 la disminución de la intensidad de la banda de emisión en el rojo del espectro visible. A. Pucci y sus colaboradores2 prepararon mezclas mediante mezclado en fundido de PP con bis-(benzoxazolil) estilbenceno (BBS), el cual es un pigmento de uso comercial. Observaron que la emisión de la película cambió de azul (con picos centrados en 410, 430 y 455 nm) a verde (500 nm) a concentraciones 0.2 a 0.5 % en peso con respecto al PP. Además, demostraron que las emisiones de dichas películas regresaban a 410, 430 y 455 nm en el material después de haber aplicado la deformación por tensión. A pesar del contenido innovador de esta aplicación de sensado en polímeros termoplásticos, son pocas las moléculas conjugadas fluorescentes estudiadas como marcadores. Las moléculas sintetizadas hasta ahora en nuestro grupo de investigación mediante la ruta de condensación aldólica, pueden presentar máximos de emisión en la región del verde, entre 480 y 523 nm.11,12 Algunas de las moléculas β-aldólicas FL han sido utilizadas para la fabricación de películas por autoensamblaje, las cuales presentaron una topografía granular uniforme y de baja rugosidad (rugosidad media cuadrada = 0.89 nm).11 En este trabajo se estudió la estabilidad química, térmica y óptica en polietileno de alta densidad (HDPE) de dos moléculas β-aldólicas FL el 2,6-bis(pfenileno)ciclohexanona (BFC) (figura 1) y poli[(2,5bis(octiloxi)-4-(3-oxo-1-butenil)benzaldeido] (pC8Bz). Las moléculas fueron sintetizadas por la ruta de condensación aldólica.13,14 Se elaboraron películas y se sometieron a un proceso de calentamiento y rápido enfriamiento, para determinar la capacidad de manipular el rompimiento de los excímeros para una posible aplicación como sensor de deformación en materiales plásticos. Fig. 1. Moléculas dispersas (a) y agregadas (b) de 1,5bis(p-fenileno)1,4-penten-3-ona. 63 �Compuestos β-aldólicos fotoluminiscentes como indicadores de deformación en polietileno / Fernando A. Blanco Flores, et al. PARTE EXPERIMENTAL Materiales Los materiales utilizados para la síntesis de condensación aldólica fueron: tereftaldicarboxaldehído (Sigma Aldrich con 99% de pureza), 2,5-bis(octiloxi)tereftaldehído (Sigma Aldrich con 99% de pureza), acetona y ciclohexanona (J. T. Baker HPLC, con 99.9% de pureza). El hidróxido de sodio (Productos químicos Monterrey con 97.3% de pureza) fue utilizado como catalizador. Los solventes utilizados fueron cloroformo (Tedia HPLC con 99.99% de pureza) y xileno (Fermont HPLC con 99.99%). El polímero utilizado como matriz fue el polietileno de alta densidad (PEMEX). Todos estos reactivos fueron utilizados como se recibieron sin realizar algún proceso de purificación. Procedimiento Experimental Los compuestos fluorescentes BFC y pC8Bz fueron sintetizados por la ruta de condensación aldólica.13 Para el compuesto BFC se realizó una serie de reacciones variando la relación estequiométrica 1:1, 1:2 y 1:3 entre el tereftaldehido (TFA) y ciclohexanona (CHX). El compuesto pC8Bz fue sintetizado a partir de la reacción entre 2,5-bis(oc tiloxi)tereftaldehído (OTP) y acetona (AC), a una relación molar 1:1. Primero, se disolvió en un vaso de precipitado 0.3g de NaOH en 20ml de una solución H 2O/EtOH en proporción 1:1. Posteriormente, la solución fue vertida a un matraz bola de 200 mL, y se adicionó el dialdehido aromático más otros 20ml de una solución H2O/EtOH 1:1 con agitación constante. Después, se calentó el medio de reacción a 60°C y se adicionó gota a gota la cetona con agitación constante. Al finalizar la adición Tabla I. Cantidades utilizadas para la síntesis de los productos BFC y pC8Bz mediante condensación aldólica. Relación molar masa del dialdehido aromático (g) masa de cetona (g) Clave 1 TFA :1 CHX 1 0.731 BFC-1 1 TFA :2 CHX 1 1.46 BFC-2 1 TFA :3 CHX 1 2.19 BFC-3 OTP:1 AC 0.2 0.029 pC8Bz-1 64 se mantuvo la temperatura y la agitación por 30 minutos, manteniendo el sistema en reflujo mediante un sistema de refrigeración. Finalmente, se enfrió el medio de reacción y se adicionaron 2 ml de HCl 1.0 N, formándose un precipitado color amarillo, el cual fue posteriormente lavado con una solución de H2O/EtOH 1:1. Las claves de los productos obtenidos se enlistan en la tabla I. La incorporación de los oligómeros FL a HDPE se llevó a cabo mediante dispersión en solución. En un matraz bola se disolvieron en 0.8g de HDPE y 0.004 g del compuesto β-aldólico en xileno, lo cual corresponde al 0.5% en peso con respecto al polímero. La solución fue calentada a 130 °C durante 15 minutos con agitación, tiempo en el cual el oligómero y el HDPE se disolvieron por completo. La mezcla se vierte rápidamente en una caja petri previamente calentada a 130°C dentro de una estufa, y se mantiene la temperatura hasta que se obtiene la completa evaporación del disolvente y la formación de la película. Posteriormente las películas fueron sometidas a un tratamiento térmico, el cual se realizó de la siguiente manera: 1) primero se evalúa la emisión de fluorescencia de las películas, 2) se introducen las películas a una estufa a 140°C durante una hora, 3) se retiran las películas de la estufa y se sumergen rápidamente en un baño de hielo, y finalmente 4) se obtiene un segundo espectro de emisión. Caracterización Los compuestos BFC y pC8Bz fueron caracterizados mediante espectroscopía ultravioletavisible (UV-vis) en un Perkin-Elmer Lamda 35. Las películas fueron caracterizadas por espectroscopía de infrarrojo (FT-IR) en un equipo Nicolet 6700 en modo de transmitancia a 4 cm-1 de resolución con 32 barridos. Los espectros de emisión se obtuvieron en un equipo Perkin-Elmer Lambda LS55 excitando las muestras a una longitud de onda de 365 nm. Las características térmicas de las películas fueron obtenidas mediante análisis de calorimetría diferencial de barrido en un equipo Perkin-Elmer Diamond DSC a una velocidad de 10°C/min, tomando el valor máximo del pico del segundo barrido de calentamiento como la temperatura de transición.15 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Compuestos β-aldólicos fotoluminiscentes como indicadores de deformación en polietileno / Fernando A. Blanco Flores, et al. Fig. 2. Espectro de absorción Uv-vis para la solución de BFC en cloroformo grado espectroscópico. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los espectros UV-vis para todos los compuestos BFC disueltos en cloroformo se muestran en la figura 2. Se observó una banda asociada a los electrones π a π* (antienlace), resultando los máximos en 356 nm. Sin embargo se observó un desplazamiento batocrómico de 9 nm para la muestra BFC-3, lo cual podría deberse a un aumento en la conjugación16 por el exceso de ciclohexanona en la reacción. La emisión máxima de fluorescencia de los productos BFC en solución (cloroformo) fue de 486 nm para los tres productos. También se obtuvieron los espectros de emisión de los productos BFC en estado sólido (figura 3), observándose un máximo de emisión de 509 nm para los productos BFC-2 y BFC-3. El producto BFC-1 presentó un máximo de emisión a 500 nm. La diferencia entre los máximos de Fig. 3. Espectro de emisión de fluorescencia de los productos BFC en estado sólido a λexc = 365 nm. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 emisión del compuesto BFC en solución y en estado sólido presentan un desplazamiento hipsocrómico de 14 nm para BFC-1; y de 23 nm tanto para BFC-2 como para BFC-3. El desplazamiento en la emisión podría deberse a la formación de excímeros entre las moléculas fluorescentes.4,9 Para verificar que los compuestos BFC están presentes en el HDPE, se analizaron los espectros de FTIR (figura 4) de las películas. En el espectro se observan los picos característicos del HDPE:17 una banda alrededor de 2890 cm-1 correspondiente al estiramiento –CH2, dos bandas a 1463 cm-1 y 1260 cm-1 correspondientes a la flexión C-H, y otra a 728 cm-1 correspondiente a los enlaces C-C. Debido a la baja concentración de BFC en HDPE, las señales detectadas del compuesto son de baja intensidad y corresponden a las señales del C=O a 1700 cm-1. Figura 4. Espectro de FTIR de la película HDPE con 0.5% de BFC-1. La temperatura de transición de fase (T) y la correspondiente entalpía (∆H) observada en el segundo calentamiento por DSC se muestran en la Tabla 2. La temperatura de transición en el segundo calentamiento de la película HDPE+BFC, muestra una variación mínima (1-2°C) con respecto al HDPE inicial. El efecto del BFC en la cristalinidad del HDPE, se evaluó por cambios en el por ciento de cristalinidad, relacionando el ∆H de fusión del segundo calentamiento de las películas con el ∆H de fusión (290 J/g) del HDPE 100% cristalino.18 El por ciento de cristalinidad obtenido para los materiales HDPE+BFC-1 (49%), HDPE+BFC-2 (57%) y HDPE+BFC-3 (61%) están dentro del rango del error experimental del equipo así como de la manipulación 65 �Compuestos β-aldólicos fotoluminiscentes como indicadores de deformación en polietileno / Fernando A. Blanco Flores, et al. Tabla II. Características térmicas de las películas de HDPE con todos los BFC. Muestra T (°C) ∆H fusión (J/g) % cristalinidad HDPE 131 191.1 66 HDPE+BFC-1 131 140.6 49 HDPE+BFC-2 131 165.5 57 HDPE+BFC-3 132 177.3 61 de la muestra, por lo que no se considera un cambio considerable en la cristalinidad del material. En la figura 5, se muestran los espectros de emisión (λexc = 365 nm) de la película blanco de HDPE antes y después del tratamiento térmico. Las bandas de emisión observadas a 485 nm y 550 nm, podrían asociarse a problemas de dispersión de luz.9 Se observó que la posición de las bandas de emisión no cambia aun después del tratamiento térmico. Fig.6. Espectro de emisión de fluorescencia de la película de HDPE+ BFC-3 antes y después del tratamiento térmico ( λexc= 365 nm). Las líneas punteadas corresponden a las bandas obtenidas por deconvolución. podría asociarse al pico del excímero. El resultado de la deconvolución (línea punteada en Figura 6) da un pico a 510 nm que corresponde a lo observado en el espectro de emisión de BFC-3 en estado sólido. Después del tratamiento térmico, el pico a 510 nm desaparece, sugiriendo la dispersión de los excímeros de BFC-3. Para confirmar que el tratamiento térmico utilizado puede dispersar los excímeros, se evaluó una película con el polímero pC8Bz el cual ya ha sido estudiado en aplicaciones de optoelectrónica y que presenta una mayor intensidad de fluorescencia.14 Fig. 5. Espectro de emisión de fluorescencia de las películas de HDPE sometidas a tratamiento térmico excitadas a λexc= 365 nm. Las películas de HDPE con BFC-1 y BFC-2 excitadas a una longitud de onda de 365 nm no mostraron desplazamientos considerables en el pico máximo de emisión después del tratamiento térmico. Sin embargo, en el espectro de emisión de HDPE+BFC-3 (Figura 6) se observó un hombro en el pico máximo de emisión a 510 nm antes del tratamiento térmico. Se realizó la deconvolución del pico máximo de emisión antes del tratamiento térmico utilizando el programa PEAK FIT (modelo de Gauss) para confirmar si el hombro observado 66 Fig. 7. Espectro de emisión de fluorescencia de la película de HDPE con pC8Bz antes y después del tratamiento térmico (λexc= 326 nm). Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Compuestos β-aldólicos fotoluminiscentes como indicadores de deformación en polietileno / Fernando A. Blanco Flores, et al. El espectro de emisión de la película se obtuvo a λexc=326 nm de longitud de onda (figura 7). La emisión de la película HDPE+pC8Bz mostró una banda intensa formada por hombros a longitudes de onda de 472 y 517 nm. Después del tratamiento térmico, se observó un desplazamiento hipsocrómico de 12 nm hacia la región azul del espectro dando un máximo a 463 nm. El desplazamiento se puede asociar a la dispersión de los excímeros, y por lo tanto la emisión sería semejante a la molécula en solución. Este resultado coincide con lo observado por otros autores2,4 cuando provocan deformación mecánica de las películas que contienen compuestos cromóforos de la familia de los ciano p-fenilenovinileno. También se observó que al utilizar un polipropileno injertado con grupos anhídrido maleico (PP-g-AM) como matriz, el pC8Bz presenta una emisión diferente bajo una lámpara de luz UV de 365 nm de longitud de onda (figura 8). En el caso de HDPE, la emisión de la película es semejante a la del pC8Bz en solución; en cambio cuando se utiliza PP-g-AM, la emisión es semejante a la del pC8Bz en polvo. Lo anterior podría deberse a la naturaleza química del polímero, lo cual se reportará en trabajos posteriores. Figura 8. Imagen de pC8Bz y su dispersión en cloroformo, HDPE y PP-g-AM bajo una lámpara de luz UV (λexc=365 nm). CONCLUSIONES Los compuestos fluorescentes BFC y pC8Bz presentaron formación de excímeros dentro del HDPE, siendo posible la dispersión del excímero por la deformación realizada al polímero durante el tratamiento térmico. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Las películas preparadas con los compuestos BFC presentaron ligeros cambios en la emisión, lo cual se debe tanto a la baja concentración del compuesto en la película, así como a dispersiones de luz provocadas por la superficie de la película. Por los resultados obtenidos en este trabajo se sugiere que los compuestos β-aldólicos fotoluminiscentes pueden presentar aplicaciones como indicadores de deformación en polímeros termoplásticos AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer al Programa de Mejoramiento al Profesorado (PROMEP) por el apoyo financiero otorgado al Proyecto PROMEP/103.5/09/4826 con folio UANL-PTC-255. BIBLIOGRAFÍA 1. S.W. Thomas, G.D. Joly, and T.M. Swager, Chemical sensors based on amplifying fluorescent conjugated polymers, Chemical Reviews, 107(2007), 1339. 2. A. Pucci, M. Bertoldo, and S. Bronco, Luminescent bis(benzoxazolyl)stilbene as a molecular probe for poly(propylene) film deformation, Macromolecular Rapid Communications, 26(2005), 1043. 3. C. Löwe and C. Weder, Oligo (p-phenylene vinylidene) excimers as molecular probes: deformation-induced color changes in photoluminiscent polymer blends, Advanced Materials, 22(2002), 1625. 4. B.R. Crenshaw and C. Weder, Deformationinduced color changes in melt-processed photoluminescent polymer blends, Chemistry of Materials, 15(2003), 4717. 5. B.R. Crenshaw, et al., Deformation-induced color changes in mechanochromic polyethylene blends, Macromolecules, 40(2007), 2400. 6. J. Kunzelman, B.R. Crenshaw, and C. Weder, Self-assembly of chromogenic dyes—a new mechanism for humidity sensors, Journal of Materials Chemistry, 17(2009), 2989. 7. F. Donati, et al., New cyclic olefin copolymer for the preparation of thermally responsive 67 �Compuestos β-aldólicos fotoluminiscentes como indicadores de deformación en polietileno / Fernando A. Blanco Flores, et al. luminescent films, Macromolecular Chemistry and Physics, 210(2009), 728. 8. M. Kinami, B.R. Crenshaw, and C. Weder, Polyesters with built-in threshold temperature and deformation sensors, Chemistry of Materials, 18(2006), 946. 9. J. Lakowickz, Principles of Fluorescence Spectroscopy. 3a. 2006, Baltimore: Springer. 27. 10. C. Löwe and C. Weder, Synthesis and properties of photoluminescent 1,4-bis-(1-cyano-4methoxystyryl)benzenes, Synthesis, 9(2002), 1185. 11. R.C. Cabriales-Gómez, Nuevos materiales orgánicos luminiscentes via condensación aldólica, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. 2003, Universidad Autónoma de Nuevo León: San Nicolas de los Garza. 12. R. Esquivel-González, Efecto de la estructura en aductos de condensación aldólica sobre sus propiedades de fluorescencia, Facultad de 68 Ciencias Químicas. 2007, Universidad Autónoma de Nuevo León: San Nicolas de los Garza. 13. R. Esquivel and V.A. González, Relación estructuraluminiscencia en aductos de condensación aldólica., Ingenierías, X(2007), 69. 14. V.A. González, et al., ß-aldol condensation as a new synthetic approach for the preparation of luminescent oligomers, Polymer Bulletin, 58(2007), 627. 15. A.R.A. Palmans, et al., Tensile orientation behavior of alkoxy-substituted bis(phenylethyn yl)benzene derivatives in polyolefin blend films, Chemistry of Materials, 12(2000), 472. 16. B. Valeur, Molecular Fluorescence Principles and Applications. 2001: Wiley-VCH. 54. 17. R.M. Silverstein and F.X. Webster, Spectrometric Identification of Organic Compounds. 6a., ed. Wiley. 1997. 18. Y. Kong and J.N. Hay, The measurement of the crystallinity of polymers by DSC, Polymer, 43(2002), 3873. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Eventos y reconocimientos I. 63 ANIVERSARIO DE LA FIME-UANL Durante la semana del 16 al 24 de octubre de 2010 tuvo lugar la celebración del sexagésimo tercer aniversario de la FIME-UANL, en el que se realizaron eventos académicos, culturales, deportivos y sociales. ALMUERZO DE LA FRATERNIDAD El Director de la FIME, el M.C. Esteban Báez Villarreal presidió el 16 de octubre el tradicional “Almuerzo de la Fraternidad”, donde convivieron maestros y egresados de diferentes generaciones y que sirve de preámbulo a la semana de aniversario. Vista de los asistentes al tradicional Almuerzo de la Fraternidad FIME-UANL 2010. XVII CONGRESO INTERNACIONAL SOBRE EDUCACIÓN, CIENCIA Y TECNOLOGÍA El 19 de octubre de 2010 se inauguró el XVII Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología. La ceremonia fue presidida por el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME; Dr. Raúl Quintero Flores, Presidente del Consejo Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 El Rector de la UANL inaugurando el XVII Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnologia. Consultivo de Estudios de Posgrado de la FIME; y el Dr. Jaime Parada Ávila, Director General del Instituto de Innovación y Transferencia de Tecnología de Nuevo León, entre otros. En el marco de este congreso se presentaron conferencias, se realizaron mesas redondas y se llevó a cabo el Coloquio “Avances e Innovación en Materiales”. Entre las conferencias se pueden destacar: • “Stochastic Hydro-Thermal Scheduling Under CO2 Emission Constraints”, impartida por el Dr. Steffen Rebennack, profesor de la Colorado School of Mines, Golden, USA. • “Combustible Biodiesel”, estando a cargo de la Dra. Janeth Aidé Perea Villamil, del Centro de Investigación en Ciencia y Tecnología de Alimentos (CICTA), Bucaramanga, Colombia. • “Como desarrollar Sistemas Expertos en Ingeniería Mecánica. El caso de la Selección de Materiales”, impartida por el Dr. Víctor Jacobo Armendáriz, de la Facultad de Ingeniería de la UNAM. 69 �Eventos y reconocimientos Autoridades y participantes del panel ”Los estudios de posgrado y la competitividad”, realizado dentro del XVII Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología. CARRERA CONMEMORATIVA 6.3 Km. El 24 de octubre de 2010, como cierre a los festejos del 63 aniversario de la FIME-UANL se efectuó la tradicional carrera conmemorativa, la cual consistió en un recorrido de 6.3 km en el circuito de Ciudad Universitaria, contando con gran afluencia de corredores, entre maestros, alumnos y comunidad en general. Jorge Alberto Hernández, estudiante de FODUANL, realizó el mejor tiempo. Al terminar se premió a los ganadores de las diferentes categorías y se efectuó una convivencia familiar en el estacionamiento principal. II. RENUEVAN CONSEJO CONSULTIVO DE POSGRADO DE LA FIME-UANL En el marco de su 63 aniversario, la FIME-UANL renovó su Consejo Consultivo de Estudios de Posgrado. Este grupo de distinguidos profesionistas lo preside el Dr. Raúl Quintero Flores, quien fundara la Escuela de Graduados de la FIME-UANL en 1966. El Rector de la UANL el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, en compañía del M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, tomó protesta a los integrantes de este órgano de consulta integrado por: Jaime Parada Ávila, Rafael Colás Ortíz, Hugo Solís Tovar, Salvador Valtierra Gallardo, José Talamantes Silva, José Zamudio Sánchez, Moisés Hinojosa Rivera y Raúl Quintero Flores. 70 Consejo Consultivo de Estudios de Posgrado de la FIMEUANL acompañado por el Rector de la UANL y el Director de la FIME. III. PREMIOS FIME-UANL A LA EXCELENCIA 2010 El 19 de octubre de 2010, en un acto presidido por el Rector de la UANL, Dr. Jesús Áncer Rodríguez y el Director de la FIME, M.C. Esteban Báez Villarreal se entregaron los reconocimientos FIME a la Excelencia en las áreas de Docencia, Investigación, Desarrollo Profesional, Innovación y Deporte. El reconocimiento al mérito de Docencia fue para el M.C. Daniel Ramírez Villarreal, en Investigación fueron galardonados los doctores Azael Martínez de la Cruz y Enrique López Cuéllar, ganadores del Premio de Investigación UANL 2010 en el área de Ingeniería y Tecnología. Cuatro distinguidos egresados de la FIME recibieron el reconocimiento en el área de Desarrollo Profesional: Jesús Martínez Ruiz, Ingeniero en El Dr. Enrique López Cuéllar recibiendo del M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME-UANL, el reconocimiento a la excelencia en investigación. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Eventos y reconocimientos Control y Computación; Jorge Ochoa Jaime, Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones; Rubén Villarreal Villalón, Ingeniero Mecánico Administrador; y Juan Francisco Martínez Sánchez, Ingeniero Mecánico Electricista. El doctor Roger Ríos Mercado recibió la distinción al Mérito en Innovación; y en el ámbito Deportivo se reconoció a los destacados karatecas Abraham Briseño Martínez y Homero Morales Carrillo. IV. NUEVO MIEMBRO DE LA ACADEMIA DE INGENIERÍA El 19 de octubre de 2010 en punto de las 18:00 hrs. en la Sala Polivalente de la FIME-UANL, la Academia de Ingeniería presentó en calidad de Académico Titular, al Dr. Virgilio Ángel González González. Durante la ceremonia, el Dr. González, Profesor Investigador de la FIME-UANL, presentó su trabajo titulado “Geometría de Cristales en la Cinética de Cristalización o Solidificación”. El Dr. Virgilio A. González recibiendo su diploma de miembro de la Academia de Ingeniería. V . MÉRITO ACADÉMICO ESTUDIANTIL Y GRUPO DE LOS 100 El miércoles 20 de octubre en el marco de la Semana Cultural del 63 aniversario de la FIME-UANL se llevó a cabo la ceremonia de entrega de reconocimientos a los alumnos que obtuvieron los mejores promedios en el semestre enero-junio de 2010. Los alumnos distinguidos con el reconocimento al Mérito Académico, por su desempeño escolar fueron: Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Alumnos reconocidos durante la tradicional develación de placas al Mérito Académico en la Biblioteca “Ing. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza” de la FIME-UANL. Alumno Carrera Promedio Verónica M. Reyes Carranza IAS 99.65 María E. Chávez Yerena IEA 99.18 Jessen E. González Márquez IMC 98.50 Cesar A. de la Garza Carrasco IME 97.58 Jessica J. González Tamez IMA 97.21 Rubén A. Treviño Amaro IEC 95.81 Ana K. Martínez Ortiz IMF 93.75 Emigdio Ríos Baltazar IMT 92.44 Posteriormente se reconoció al Grupo de los Cien, formado por los alumnos con mejores calificaciones en el periodo enero-junio 2010. En esta ocasión se reconoció a alumnos de las siguientes carreras: 29 de Ingeniero en Mecatrónica, 28 de Ingeniero Mecánico Administrador, 15 de Ingeniero en Electrónica y Automatización, 13 de Ingeniero Administrador de Sistemas, 7 de Ingeniero Mecánico Eléctrico, 7 de Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones, 1 de Ingeniero en Materiales, 1 de Ingeniero en Manufactura, 1 de Ingeniero en Aeronáutica. VI. RECONOCIMIENTO A INVESTIGADORAS EN MATEMÁTICAS El 3 de noviembre de 2010, en la Cd. de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, la Sociedad Matemática Mexicana junto con la Fundación Sofía Kovalévskaia, otorgaron reconocimientos a mujeres jóvenes sobresalientes que realizan en México investigación científica relacionada con las matemáticas. 71 �Eventos y reconocimientos Entrega de reconocimientos a investigadoras en matemáticas durante el Congreso Nacional de la Sociedad Matemática Mexicana 2010. Este año, se otorgaron 8 reconocimientos, de los cuales tres fueron otorgados a Profesoras Investigadoras del posgrado en Ingeniería de Sistemas de la FIME-UANL: A la Dra. Sara Rodríguez Sánchez por su trabajo en “Optimización de la cadena de suministro bajo incertidumbre. Aplicación al sector porcino”; a la Dra. María Angélica Salazar Aguilar, Posdoctorante en el CIRRELT (Montreal, Canadá) y egresada del posgrado en Ingeniería de Sistemas, por su trabajo en “Diseño eficiente de sectores para la recolección de residuos”; y a la Dra. Yasmín Ríos Solís, Profesora-Investigadora del Posgrado en Ingeniería de Sistemas por su investigación en “Asignación óptima de personal a lo largo del tiempo”. Este año participaron 41 de licenciatura y 48 de maestría, de las cuales fueron premiadas en total 12 tesis. De la FIME-UANL fueron reconocidas las siguientes tesis de maestria: En el área de Ciencias Naturales y Exactas:“Diseño de territorios comerciales con costos de ruteo”. Autor: Juan Carlos Salazar Acosta y asesor: Dr. Roger Z. Ríos Mercado, de la Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. En el área de Ingeniería - Tecnología Arquitectura: ”Síntesis y caracterización de nanopartículas de óxidos de los sistemas Bi2O3-MoO3 y Bi2O3-WO3 para la degradación de contaminantes orgánicos bajo la luz visible”. Autor: Sergio Alberto Obregón Alfaro y asesor: Dr. Azael Martínez de la Cruz, de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. VIII. PREMIO NACIONAL DEL DEPORTE 2010 La alumna de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Paola Michell Longoria López, recibió el Premio Nacional del Deporte de manos del Presidente de la República, Felipe Calderón Hinojosa. Este reconocimiento entregado en el marco del festejo del Centenario de la Revolución Mexicana, que por primera vez se entrega a deportistas no profesionales, le fue entregado a Paola Longoria por su destacada trayectoria en racquetbol. VII. PREMIO A MEJORES TESIS UANL El 6 de octubre de 2010, la UANL, entregó los Premios a las Mejores Tesis de Licenciatura y Maestría realizadas en el año 2009. Profesionistas que recibieron el premio a mejor tesis de la UANL presentada en el 2009. 72 El Presidente de la Republica, Felipe Calderón Hinojosa, entregando a Paola Longoria, estudiante de la FIME-UANL, el Premio Nacional del Deporte. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Septiembre 2010 - Noviembre 2010 Guillermo Gutiérrez Ibarra, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación, (Por materias), 1 de septiembre de 2010. José Artemio Barrera Rodríguez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación, (Por materias), 1 de septiembre de 2010. René Damián González González, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 1 de septiembre de 2010. Ismael García López, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación, (Por materias), 1 de septiembre de 2010. Jesús María Rodríguez Leal, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 1 de septiembre de 2010. Mónica Gabriela Martínez Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Desarrollo del método de investment casting como proceso de manufactura de tijeras grado quirúrgico”, 2 de septiembre de 2010. Jesús Víctor Manuel Cid Medina, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Diseño de espacio de paridad para sistemas continuos”, 3 de septiembre de 2010. Alberto Varela Valdez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Propiedades de escalamiento en superficie de fractura de materiales compuestos particulados y su relación con efectos de tamaño”, 7 de septiembre de 2010. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Mayra Puch Sosa, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 8 de septiembre de 2010. Eduardo Manuel Guardia Ramírez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Sistemas Eléctricos de Potencia, “Equivalentes dinámicos reducidos basados en mediciones fasoriales para grandes sistemas de potencia”, 13 de septiembre de 2010. Oralia Elizabeth Sáenz Ponce, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 13 de septiembre de 2010. Francisco León Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 13 de septiembre de 2010. Javier Julián Monsiváis Hernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 13 de septiembre de 2010. Anwar Espinosa de los Monteros Zapata, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 22 de septiembre de 2010. Brenda Elizabeth Arreola Flores, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 22 de septiembre de 2010. Guillermo Gutiérrez Ibarra, Maestría en Ciencias de la Administración con Especialidad en Producción y Calidad, (Por materias), 23 de septiembre de 2010. Karina Araceli Cabriales Gómez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Obtención de nanopartículas de 3C- 73 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL SiC por medio de una síntesis sol-gel asistida por microondas”, 24 de septiembre de 2010. Rosendo Eduardo Nieto Cortés, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 24 de septiembre de 2010. Adriana Eloisa García Castillo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de fases de una aleación base Ni-Fe variando condiciones de deformación en caliente”, 29 de septiembre de 2010. René de Jesús Cerda Rojas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Evolución del tamaño de grano durante el proceso de forja en caliente de una aleación base níquel por medio de elemento finito”, 29 de septiembre de 2010. Francisco Aurelio Pérez González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Mejora de las propiedades mecánicas en electrodos usados para beneficio del cobre”, 30 de septiembre de 2010. Ana Karina Garza García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Proyecto corto) “Seguimiento de instrucciones en el aula de niños de preescolar”, 1 de octubre de 2010. JesúsAlberto Garza Báez, Maestría enAdministración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Implementación del control estadístico de la calidad en la vida del anaquel en un producto carnilo”, 5 de octubre de 2010. Alejandro Oviedo Martínez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 5 de octubre de 2010. Karla Magdalena Delgadillo Salazar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 5 de octubre de 2010. Luis Gerardo Morales Arévalo, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 6 de octubre de 2010. Ulises Quezada Barrios, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 8 de octubre de 2010. 74 Martín Calvillo Murguía, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 11 de octubre de 2010. Francisco Raya Cortez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 15 de octubre de 2010. Jaime Esparza López, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de las propiedades mecánicas en una aleación Al.Si-Cu en función de su tratamiento térmico”, 20 de octubre de 2010. Jair Jesús Gerardo Palacios Puente, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Proyecto corto), “Proyecto de implementación de la norma ohsas 18001: 2007 en oficinas generales”, 21 de octubre de 2010. Santiago Zaragoza Leal, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 21 de octubre de 2010. Mario Aníbal Farias Castellanos, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 22 de octubre de 2010. Juan Gabriel Contreras Pérez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Proyecto corto), “Propaidos”, 25 de octubre de 2010. Christian Eusebio Charles Landeros, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 25 de octubre de 2010. Yadira Moreno Vera, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Proyecto corto), “Soldadura por fricción”, 27 de octubre de 2010. Erick Emmanuel Guerrero González, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 27 de octubre de 2010. Berenice Wendoline Alemán Pérez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 28 de octubre de 2010. Ismael Marín Sánchez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la influencia de nitrógeno y aire en uniones de soldadura libre de plomo Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL para componentes de uso electrónico”, 29 de octubre de 2010. Néstor Alejandro Escareño Faz, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 29 de octubre de 2010. Juan José Gloria Puente, Maestría en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura con especialidad en Automatización, (Por materias), 3 de noviembre de 2010. Daniel Guillén Aparicio, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Sistemas Eléctricos de Potencia, “Diseño de una función wavelet madre para distinguir eventos transitorios en sistemas eléctricos de potencia”, 6 de noviembre de 2010. Fernando Peña Ayala, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias),10 de noviembre de 2010. Norberto Urbina Brito, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias),12 de noviembre de 2010. Lucero Rodríguez Estrada, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, “Análisis de aspectos legales, económicos y sociales aplicables en la generación de energía eléctrica en el ámbito de abastecimiento”, 16 de noviembre de 2010. Manuel Alejandro Escobedo Castillo, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, “Instalación eléctrica de un sistema híbrido en media y baja tensión”, 16 de noviembre de 2010. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 Elías Cárdenas Cervantes, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias),19 de noviembre de 2010. Adrián A. Canales Ñañez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio del efecto de la interacción de aluminio a diferentes condiciones de solidificación y su influencia en las propiedades mecánicas”, 19 de noviembre de 2010. Gabriela González Juárez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Análisis microestructural de una superaleación Fe-Ni-Co bajo diferentes condiciones térmicas y mecánicas”, 19 de noviembre de 2010. M y r t h a l a F l o re s F a u s t ro , M a e s t r í a e n Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 24 de noviembre de 2010. José Mario Aladro Capistrán, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 26 de noviembre de 2010. Aldo Alejandro Reyes Gómez, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 26 de noviembre de 2010. FUENTE: Subdirección de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. 75 �Acuse de recibo INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA TEMAS CIENTÍFICOS CONTEMPORÁNEOS Esta revista arbitrada de divulgación científica y tecnológica editada semestralmente por la Facultad de Ingeniería de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. En sus páginas, con un diseño más de folleto que de revista científica, se presentan trabajos muy variados tanto en temática como en estilo, los cuales, aunque breves, despiertan el interés y resultan amables para el lector. Como ejemplos de contenido, en su número 12 de su año 5, publicado en mayo de 2010, se presentan artículos sobre: Generación de energía eléctrica a partir de energía eólica, el diseño de un triciclo eléctrico solar para discapacitados, métodos econométricos dentro de la valuación, la fibra textil Kenaf, efecto de sismos en estructuras, entre otros. Para mayor información puede consultarse la página en Internet en www.revistaingenieria.buap.mx o contactarse por email a la dirección: revista36@gmail.com. (FJEG) El Dr. J. Rubén Morones Ibarra, catedrático de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas-UANL, nos ofrece en este libro un amplio panorama de la física, abordando diversas temáticas, ninguna fácil de comprender. El autor con esta obra aspira a que “algunos estudiantes se sientan atraídos por los temas tratados aquí”. Inicia tratando sobre fuentes de energía y para captar la atención de los lectores el autor hace referencia a las marchas y protestas por causa de los altos costos de los energéticos, estrategia que le permite discutir de manera muy fluida el impacto de los combustibles fósiles en el medio ambiente y las bondades de las llamadas fuentes alternas de energía, destacando la energía nuclear, haciendo notar que “la población conoce muy poco de las aplicaciones de la física nuclear” pues los medios de comunicación dirigen la atención hacia los aspectos negativos, lo cual “contrasta con la nula información sobre los beneficios que la física nuclear ha proporcionado a la humanidad”. Se trata de una magnífica obra de divulgación que merece ser conocida y difundida ampliamente. (MHR) 76 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Colaboradores Alcorta García, Efraín Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones (1989) y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control (1992) por la UANL. Doctor en Ingeniería Eléctrica por la Universidad Gerhard-Mercator Duisburgo en 1999. Actualmente profesor-Investigador de la FIME-UANL. Blanco Flores, Fernando Antonio Licenciado en Química Industrial (2010) por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Actualmente es estudiante del Posgrado de Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales en la FIME-UANL. Castro Grela, Regino Ingeniero Mecánico por la FCQeI de la UAEMMorelos. Estudiante de Maestría en el CIICAPFCQeI en la UAEM. Campillo Illanes, Bernardo Es profesor de la Facultad de Química de la UNAM, comisionado en el ICF-UNAM. Pertenece al SNI, nivel II. Ha desempeñado cargos administrativos dentro de la UNAM como jefe de departamento y coordinador de posgrado. Cid Medina, Jesús Víctor Manuel Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica por la Universidad Autónoma de Zacatecas (2008), Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático por la UANL (2010). Elizondo González, César Ingeniero Mecánico Electricista (1969), Licenciado en Ciencias Físico-Matemáticas(1970), Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 en Control (1974) y Doctor en Ingeniería Eléctrica, todos por la UANL. Actualmente es profesorinvestigador de la FIME-UANL. Esquivel González, Reynaldo Licenciado en Química Industrial (2006) por la FCQ-UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2009) por la FIME-UANL. Actualmente realiza estudios de doctorado dentro de un convenio de cotutela entre la FIME-UANL y la Universite Bordeaux 1. Elizondo Garza, Fernando Javier Ingeniero Mecánico Electricista por la FIME-UANL. Diplomado en Administración de Tecnología en el CINVESTAV del IPN. Maestría en Ingeniería Ambiental por la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. Premio Estatal de Ecología N.L. 2002, Reconocimiento al Mérito Académico ANFEI 2003 y Profesor Emérito de la UANL. Actualmente es catedrático y consultor de la FIME. Director de la Revista Ingenierías. Garza Navarro, Marco Antonio Ingeniero Mecánico Electricista (2004), M.C. en Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2006) y Doctorado en Ingeniería de Materiales (2009) por la FIME-UANL. Premio de Investigación UANL-2009, Nivel C en el SNI. Actualmente es Profesor Investigador de la FIME-UANL. Gauna González, Edgar Licenciado en Química Industrial (2004) por la FCQ-UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2009) por la FIME-UANL. Actualmente cursa el doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. 77 �Colaboradores Gómez López, Paola Guadalupe Ingeniera en Materiales (2008) y Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2010) por la FIME-UANL. Actualmente lleva a cabo estudios de doctorado en el Programa Doctoral de Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL. González González, Virgilio Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la FCQ-UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Ha sido investigador en el campo de los polímeros desde 1975. Es miembro del SNI nivel II. Es profesor investigador de tiempo completo de la UANL desde 1998. Martínez Hernández, Carlos Licenciado en Física (1980) por la UANL. Maestría en Ciencias con especialidad en Ingeniería Nuclear (1990). Doctorado en Ingeniería Física Industrial (2005). Actualmente es profesor y Director de la Carrera de Física en la FIC-UANL. Rojas Sandoval, Javier Licenciado en Historia y Maestría en Metodología de la Ciencia por la UANL. Doctorado por la Universidad Iberoamericana. Profesor e investigador de la UANL. Director de la página: www. monterreyculturaindustrial.org. Miembro de The International Commitee for the Conservation of the Industrial Heritage y el Comité Mexicano para la Conservación del Patrimonio Industrial. Ruíz Suárez, Jesús Carlos Licenciado en Física (1980) por la UANL. Maestría en Física (1983) en la BUAP. Doctorado en Física (1987) en la Universidad de Waterloo (Canadá). Fue Profesor Investigador en la CCA-UNAM 1989-1991, en el ITESM 1991-1995. Actualmente es Profesor Investigador en el CINVESTAV-IPN. Premio W. B. Pearson 1988 (Canadá). Premio Fulbright Scholar 1999 (USA). SNI Nivel 3. Sanchez Anguiano, María Guadalupe Químico Farmacéutico Biólogo (1989) y Maestría en Ciencias Químicas especialidad en Química Analítica (1992) por la Facultad de Ciencias Químicas, UANL. Investigación y Desarrollo, Grace Container (1993-1998). Doctor en Polímeros 78 (2004) por el Centro de Investigación en Química Aplicada. Actualmente Profesor-Investigador FCQ-UANL. Sierra Valdez, Francisco Javier Licenciado en Física (2008) por la UANL. Premio Investigación UANL 2010, Actualmente es estudiante de Maestría en el CINVESTAV-IPN. Torres Castro, Alejandro Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Pos-doctorado en el departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Texas en Austin. Actualmente es Profesor Investigador en el área de materiales en la FIME-UANL. Es nivel I en el SNI. Valdez Rodríguez, Socorro Estudios de posgrado en la FQ-UNAM en el área de Metalurgia y Materiales. Realizó un posdoctorado en la Universidad de California. Es investigadora del Instituto de Ciencias Físicas de la UNAM participando en el área de Materiales. Es nivel I del SNI desde 2007. Vázquez Rodríguez, Sofía Ingeniera Químico por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (1998). Doctora en Polímeros por el Centro de Investigación en Química Aplicada (2004). Actualmente es Profesora-Investigadora de la FIME-UANL. Nivel Candidato del SNI. Vázquez Velázquez, Arturo Román Ingeniero Químico (2005) por el Instituto Tecnológico de Ciudad Madero. Maestro en Ciencias en Ingeniería Química por la División de Estudios de Posgrado e Investigación del Instituto Tecnológico de Ciudad Madero (2008). Actualmente estudiante de Doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Viniegra Beltrán, Carlos Licenciado en economía por la UAM-Iztapalapa y Master in Business Administration por el Instituto Panamericano de Alta Dirección de Empresas (IPADE). Es profesor de la asignatura de economía en la Facultad de Derecho de la Universidad Panamericana en la Ciudad de México. Actualmente es titular de la Unidad de Gobierno Digital en la Secretaría de la Función Pública. Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Viniegra González, Gustavo Médico Cirujano (1965) por la UNAM. MC en Bioquímica (1967) por el CINVESTAV, y Doctor of Philosophy en Biofísica (1971) por la Universidad de California, San Francisco. Actualmente es profesor titular del Departamento de Biotecnología de la UAM-Iztapalapa. En 1985 recibió el Premio Nacional al Mérito en Ciencia y Tecnología de los Alimentos. Es profesor distinguido de la UAM (1996) e Investigador Nacional Emérito del Sistema Nacional de Investigadores (2001), Doctor Honoris Causa por la Université Aix-en-Provence (Marsella, Francia, 2001) y Caballero de la Orden de las Palmas Académicas (Francia, 2002). Es miembro fundador de la Sociedad Mexicana de Biotecnología y Bioingeniería, y miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y de la Academia de Ingeniería. 10º CONGRESO INTERAMERICANO DE COMPUTACIÓN APLICADA A LA INDUSTRIA DE PROCESOS CAIP´2011 30 de Mayo al 3 de Junio de 2011 Girona - Catalunya – España ORGANIZA Universitat de Girona PATROCINAN Centro de Información Tecnológica, CIT (Chile) Universidad Tecnológica Nacional, FRVM (Argentina), Universidad de Costa Rica (Costa Rica) Univ. de Trás-os-Montes e Alto Douro (Portugal) DIRECCIÓN DE CONTACTO Comité Organizador CAIP´2011 Universitat de Girona http://www.udg.edu/caip2011 caip2011@udg.edu Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 79 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes y convocatorias. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Se aceptarán trabajos en inglés solamente de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES En el caso de los trabajos de revisión o divulgación el autor debe demostrar que ha trabajado y publicado en el tema del artículo, debe ofrecer una panorámica clara del campo temático, debe separar las dimensiones del tema y evitar romper la línea de tiempo y considerar la experiencia nacional y local, si la hubiera. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben contener la presentación de resultados de medición acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamentre dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen 80 mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 �Publicación trimestral arbitrada de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionistas, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. La opinión expresada en los artículos firmados es responsabilidad del autor. No se responde por originales y colaboraciones no solicitadas. Se autoriza la reproducción total o parcial de los artículos siempre y cuando se solicite formalmente, se cite la fuente y no sea con fines de lucro. La correspondencia deberá dirigirse a: Revista Ingenierías, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL, A.P. 076 “F”, Ciudad Universitaria, C.P. 66450, San Nicolás, N.L., México. Tel: (52) (81) 8329-4020 Ext. 5854. Fax: (52) (81) 8332-0904 Correo electrónico: revistaingenierias@gmail.com , fjelizon@mail.uanl.mx , juan.aguilargb@uanl.edu.mx Página en Internet: http://ingenierias.uanl.mx Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. ISSN: 1405-0676 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 81 �CALIMET CALIMET SA SA de de CV CV LABORATORIO ACREDITADO ISO/IEC 17025 SERVICIOS: ANÁLISIS QUÍMICOS Espectrometría de chispa en materiales matriz fierro, aluminio y cobre Absorción atómica Determinador de Carbono y Azufre CS 230 Materiales ferrosos y no ferrosos Análisis vía húmeda Grafito, cales, ferroaleaciones Combustión Determinación de %C y %S Granulometría PRUEBAS MECÁNICAS Y FÍSICAS Ensayo de Impacto Charpy hasta -80° C Tensión y compresión Dureza Rockwell (Todas las escalas) Dureza Brinell Ensayos de impacto charpy ANÁLISIS NO DESTRUCTIVOS Ultrasonido Líquidos penetrantes Medición de espesores Partículas magnéticas Radiografía industrial (subcontratada) Durómetro Rockwell nueva generación Ultrasonido detector de fallas ANÁLISIS DE FALLA Caracterización microestructural con microscopio Carl Zeiss y analizador de imagen Metalografía de Campo Experiencia, Calidad y Servicio... Equipos verificados y calibrados de acuerdo a la Norma NMX-EC-17025-IMNC-2006. Informes de calibración y trazabilidad al CENAM y NIST. Av. Las Puentes, No. 1002-A, entre Montes de Transilvania y Av. Santo Domingo Col. Las Puentes 4to. Sector, San Nicolás de los Garza, N.L., C.P. 66460 Tels: 8353-1745, 8302-04-86, 8057-30-76, 1367-03-39, 8350-92-89, Tel/Fax: 1367-03-40 Pág. Web www.calimet.com.mx E-mail: calimet1@prodigy.net.mx, servicioalcliente@calimet.com.mx 82 Ingenierías, Enero-Marzo 2011, Vol. XIV, No. 50 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2011 Volumen Volumen de la revista 14 Número Número de la revista 50 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2011, Año 14, No 50, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2011 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020813 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Detección de fallas Industria Nanocompósitos Pioneros Polímeros conjugados