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Desarrollo de sistemas dosimétricos a partir de nanocompositos de ZrO2, cobalto y europio

Responsable: DEMETRIO MENDOZA ANAYA

Objetivos:

Objetivo general

Sintetizar, caracterizar y aplicar en dosimetría nanocompositos de circonia, cobalto y europio.

Objetivos específicos

1. Síntesis e irradiación de sistemas dosimétricos nanocompuestos de circonia con cobalto y europio.

2. Caracterización microestructural de los sistemas desarrollados, a través de las siguientes técnicas: Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Microscopia Electrónica de Transmisión (MET), Espectrocopía por Energía Dispersiva de Rayos X (EDS) y Difracción de rayos X (DRX)

(a) Morfología característica de la circonia pura tratada a 500 C y (b) 1000 C. (c) Señal termoluminiscente inducida por la radiación UV en la circonia pura, y (d) zirconia dopada con nanopartículas de Co.

Antecedentes:

En la última década se ha incrementado el interés por el óxido de zirconio (circonia), debido a sus propiedades químicas, mecánicas y ópticas. La circonia presenta tres estructuras cristalinas bien definidas: tetragonal, monoclínica y cúbica. La temperatura de formación de cada una de éstas depende del proceso del método de síntesis y de la presencia de impurezas. Cuando la circonia es obtenida por el método sol-gel presenta una estructura amorfa, pero después de un tratamiento térmico alrededor de los 500 ˚C se obtiene circonia tetragonal, en tanto que alrededor de lo 800 ˚C se empieza a formar la fase monoclínica y arriba de los 1300 ˚C es posible obtener la estructura cúbica. Sus propiedades están estrechamente relacionadas con las estructuras cristalinas que presenta la circonia y sus transformaciones de fases.

Entre sus propiedades se puede resaltar su alto punto de fusión, estabilidad química, dureza, alto índice de refracción, bajo índice de absorción de luz. Debido a sus variadas propiedades su campo de aplicación es muy extenso. Así, es posible verlo como recubrimiento, detectores de oxígeno, en celdas de combustible de alta temperatura, soportes catalíticos, biocompositos, etc.

Otro campo de aplicación de la circonia, con muy prometedores resultados es en física de radiaciones. Resultados reportados indican una alta respuesta luminiscente de la circonia después de ser expuesta a la radiación UV, gamma y rayos X; esta respuesta luminiscente puede ser cuantificada a través del fenómeno de termoluminiscencia, pudiéndose establecer una relación entre la intensidad de la señal termoluminiscente y la dosis de radiación recibida. Esta propiedad termoluminiscente (TL) de la circonia ha sido observado para las fases tetragonal y monoclínica, siendo esta última la más sensible.

La principal desventaja es su baja estabilidad o capacidad para retener la información, ya que en pocos minutos pierde una fracción importante de la información TL inducida por la radiación; esto es debido a que el espectro TL presenta picos a bajas temperaturas, con máximos a 60 y 130 °C. Razón por la cual, existen trabajos donde se ha tratado de modificar su comportamiento, incorporando elementos ajenos a ésta; en este sentido, es común encontrar reportes sobre el análisis del comportamiento termoluminiscente de la circonia pura y dopada con tierras raras (Eu, Gd, Nd, Pr). Asimismo, se han utilizado otros dopantes de la circonia con la finalidad de modificar su sensibilidad y estabilidad, por ejemplo, a través de metales de transición en forma de nanopartículas (Ag, Au, Pd), reportándose una apreciable influencia de las nanopartículas en la forma e intensidad de la curva termoluminiscente cuando el material es expuesto a la radiación UV y gamma.

En este proyecto se tiene como objetivo sintetizar, caracterizar y aplicar en dosimetría sistemas de circonia tetragonal y monoclínica con impurezas de nanopartículas de cobalto y europio.

El hecho de utilizar Co o Eu como dopantes es con la finalidad de modificar la profundidad de las trampas características de la circonia, haciéndolas más estables. Para cuantificar la influencia del Co o Eu en la respuesta termoluminiscente de la circonia, aparte de analizar las curvas TL inducidas por la radiación gamma y UV, se determinarán parámetros tales como energía de activación, factor de frecuencia y cinética de la curva. Cabe mencionar que el uso de Co o Eu como dopantes para modificar las propiedades ópticas de un material no es algo reciente.

Existen varias vías de síntesis para obtener materiales sensibles a la radiación, entre éstas se pueden mencionar el método sol-gel. La preparación por el método sol-gel de materiales semiconductores, tales como la ZrO2 pura o con impurezas incorporadas (dopantes) ha permitido modificar sus propiedades, en particular las ópticas, haciéndose más sensible a los campos de radiación ionizante. Los resultados han mostrado que las impurezas incorporadas de manera controladas, incrementan la sensibilidad de los materiales con una respuesta lineal a la dosis de radiación absorbida; al respecto, se ha observado que cuando las impurezas incorporadas poseen tamaños controlados, principalmente en escala nanoscópica incrementan la sensibilidad considerablemente.

Este proyecto no solo se limita el estudio de las propiedades dosimétricas de los materiales sintetizados, sino que como parte del estudio se ha establecido un segundo objetivo que es la caracterización microestructural de los sistemas termoluminiscentes desarrollados, ya que como se mencionó líneas arriba, las propiedades ópticas y en particular las luminiscentes, dependen de la  microestructura y cristalinidad del material, así como la forma y tamaño de los dopantes. En este caso se recurrirá a técnicas tales como la Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Microscopia Electrónica de Transmisión (MET), Espectrocopía por Energía Dispersiva de Rayos X (EDS), las cuales también están disponibles en el Instituto.

Logros Obtenidos:

Se inició el estudio del comportamiento termoluminiscente inducido por la radiación gamma y UV (de onda corta) en la circonia dopada con nanopartículas de cobalto y cloruro de europio (EuCl2). El estudio se está complementando con la caracterización microestructural, a través de microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión y difracción de rayos X. Los resultados están mostrando que además del tratamiento térmico, la presencia de Co y Eu influyen de manera importante en el ordenamiento cristalino de la circonia, lo cual se ve reflejado en la respuesta termoluminiscente del material. Un hecho relevante, es que estos materiales también presentan la capacidad de sensar radiación UV solar.

Trabajos publicados:

1. G. Mondragón-Galicia, R. Pérez-Hernández, C. E. Gutiérrez-Wing and D. Mendoza-Anaya. A novel synthesis method to produce silver-doped CeO2 nanotubes based on Ag nanowire templates. Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 16756–16761.

2. Gerardo Villa Sánchez, Demetrio Mendoza Anaya, Claudia Gutiérrez-Wing, Pedro R. González Martínez and Oscar F. Olea Mejía. ZrO2 Doped with Cobalt Nanoparticles to Detect UV RadiatiionMRS Proceedings 2012 1371 : imrc11-1371-s1-p025 (6 pages). Copyright © Materials Research Society 2012. DOI: 10.1557/opl.2012.167. Published online by Cambridge University Press: 2012.

3. Gerardo Villa Sánchez, Demetrio Mendoza Anaya, Emmanuel Palma Palma, Claudia E. Gutiérrez Wing, Raúl Pérez Hernández, Oscar F. Olea Mejía and Federico García Santibáñez. ZrO2 Nanopowders Doped with Eu: SEM, XRD and UV Spectroscopy StudiesMRS Proceedings 2012 1371:imrc11-1371-s1-p081 (5 pages), Copyright © Materials Research Society 2012, DOI: 10.1557/opl.2012.168. Published online by Cambridge University Press: 2012.

Trabajos presentados en congresos:

1. (Poster) D. Mendoza Anaya, E. Palma Palma, C.E Gutiérrez Wing, M.E. Fernández García, R. Pérez Hernández and P.R. González Martínez.ZrO2 naopowders doped with Eu. SEM, XRD and UV spectroscopy studies. XX International Materials Research Congress, organizado por la Sociedad Mexicana de Materiales A.C. en coordinación con la MRS (Materials Research Society). Cancún Q. Roo, 13-19 de Agosto de 2011.

2. (poster) G. Villa Sánchez, D. Mendoza Anaya, C. Gutiérrez Wing, P. R. González Martínez and O. F. Olea Mejía. ZrO2 doped with cobalt nanoparticles to detect UV radiation. XX International Materials Research Congress, organizado por la Sociedad Mexicana de Materiales A.C. en coordinación con la MRS (Materials Research Society). Cancún Q. Roo, 13-19 de Agosto de 2011.

4. (Poster) G. Mondragón Galicia, G. Villa Sánchez and D. Mendoza Anaya. LVSEM, TEM and HREM studies from ZrO2 crystals with europium doped. XX International Materials Research Congress, organizado por la Sociedad Mexicana de Materiales A.C. en coordinación con la MRS (Materials Research Society). Cancún Q. Roo, 13-19 de Agosto de 2011.

5. (Oral) D. Mendoza Anaya, G. Mondragón Galicia, G. Villa Sánchez, P. R. González Martínez, E. Palma Palma y G. García Santibáñez.Propiedades Dosimétricas de ZrO2 y ZrO2:Eu y su Aplicación en Campos de Radiación UV de Onda Corta. XII International Symposium. XXII National Congress on Solid State Dosimetry. Mexico City, 5 to 9 September 2011.

6. (Poster) D. Mendoza Anaya, G. Villa Sánchez, P. R. González Martínez, E. Palma Palma. Síntesis y Aplicación Dosimétrica del ZrO2 en la detección de radiación UV Solar. XII International Symposium. XXII National Congress on Solid State Dosimetry. Mexico City, 5 to 9 September 2011.

7. (Oral) Emmanuel Palma P.; Federico García S.; Gerardo Villa S; Pedro R. González M; Demetrio Mendoza A. Influencia del Eu en la Sensibilidad Termoluminiscente del ZrO2 Irradiada con UV de Onda Corta. XXI Congreso Técnico Científico ININ-SUTIN, 6-8 de Diciembre de 2011, Centro Nuclear “Dr. Nabor Carrillo”.

8. (Oral) Gerardo Villa S, Demetrio Mendoza A, Claudia Gutiérrez W, Pedro R. González M, Oscar F. Olea M. Detector Termoluminiscente de Radiación UV a Base de Zirconia y Nanopartículas de Co como Dopante. XXI Congreso Técnico Científico ININ-SUTIN, 6-8 de Diciembre de 2011, Centro Nuclear “Dr. Nabor Carrillo”.

Formación de Recursos Humanos

1. Gerardo Villa Sánchez. Desarrollo de un Sistema Nanoestructurado a base de Zirconia y Nanopartículas de Co para Aplicaciones Termoluminiscentes: Sensor de Radiación Gamma y UV. Tesis de Doctorado, Facultad de Química, UAEM (En procesos a partir de Febrero de 2010). En el transcurso del año presentó su tercero y cuarto seminario de avances del doctorado (Junio y Diciembre de 2011).

2. Héctor Emmanuel Palma Palma. Análisis de las propiedades termoluminiscentes del sistema ZrO2-Eu. Tesis de Licenciatura, Facultad de Ciencias, UAEM. Inicio en Agosto de 2011.

Aplicaciones:

Desarrollo y optimización de métodos de síntesis de sistemas dosimétricos, que pueden ser aplicados en áreas donde sea necesario medir campos de radiación gamma. Asimismo, debido al notable incremento de la radiación UV y sus posibles efectos negativos en los seres vivos, se ha convertido en una necesidad, desarrollar sistemas capaces de detectar y cuantificar estos campos de radiación. En este sentido, uno de los sistemas más prometedores para cuantificar campos de radiación UV, se basa en la circonia pura o dopada.

Se continúa con la formación de recursos humanos, de tal manera que haya continuidad con este tipo de investigación relevante para el desarrollo del Instituto y del país. Finalmente, los resultados obtenidos se presentaron en diferentes foros nacionales e internacionales, con la finalidad de dar a conocer los avances obtenidos en el ININ y establecer colaboraciones que enriquezcan el trabajo desarrollado.

Vinculación:

Con el objetivo de realizar investigaciones conjuntas con otras instituciones, a través de este proyecto nos propusimos interaccionar con otros grupos de trabajo que de acuerdo a sus temáticas, sean afines a nuestras metas. En este sentido  se tuvo colaboración con investigadores del Centro Universitario de Vinculación (CUV) de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), Instituto de Física (IF-UNAM) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), Instituto Mexicano del Petróleo (IMP), y por supuesto con investigadores del ININ.


Última modificación
31/03/2014 por Tonatiuh Rivero Gutiérrez

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