PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
Universidad Nacional de San Agustín
Facultad de Ingeniería de Procesos, Escuela de Ingeniería Metalúrgica
Vilca Romero Dolman Valentin
Nike2015_15@hotmail.com
1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO:
1.1 Título de Proyecto
Avances, utilización y aplicación de la espectroscopia Mossbauer en la ingeniería metalúrgica.
1.2 Planteamiento del Problema
Utilizar una forma rápida, precisa y compleja para obtener información química, estructural y magnética de diferentes elementos o compuestos que se quiera analizar.
1.3 Objetivos Generales
. Desarrollar y enseñar el proceso de la espectroscopia Mossbauer en la escuela de ingeniería metalúrgica de la universidad nacional de san Agustín.
. Aprender sobre la importación de la espectroscopia Mossbauer en la caracterización de minerales o elementos químicos.
Objetivos Específicos
. Desarrollo y aplicación de fórmulas en la espectroscopia Mossbauer.
. Utilización de un nuevo proceso de caracterización de minerales.
. Procesos físicos metalúrgicos en la espectroscopia Mossbauer.
.Aprendizaje de la importancia de la espectroscopia Mossbauer en la industria minera .
1.4 Importancia del Proyecto
El efecto Mossbauer, también conocido como absorción resonante de rayos gamma, es un fenómeno descubierto por el físico alemán Rudolf Ludwig Mossbauer a fines de la década del 50, lo cual le valió la obtención del Premio Nobel de Física en 1961.
Desde entonces, la técnica experimental que explota las propiedades de este fenómeno se ha transformado en una herramienta muy utilizada para el estudio de la estructura atómica y nuclear de la materia, como así también de sus propiedades químicas y magnéticas.
Al igual que otras técnicas de observación nuclear (resonancia magnética, correlaciones
Angulares perturbadas, reacciones nucleares resonantes, etc.) el efecto Mossbauer encuentra diversas aplicaciones en física y química de la materia condensada. Tal es el caso de la física de sólidos, magnetismo, física metalúrgica, mineralogía, biología y arqueología de las Bellas Artes.
Se trata de una técnica de resonancia nuclear que utiliza la emisión libre de retroceso de rayos gamma desde un núcleo radiactivo, seguido por la absorción selectiva de dichos fotones en otro núcleo cercano. El fenómeno es extremadamente sensible a pequeñas diferencias entre la estructura del núcleo emisor y el núcleo absorbente. La absorción depende fuertemente del estado electrónico, químico y magnético de los átomos que componen el material en estudio.
Hipótesis
Utilizar la espectroscopia Mossbauer para la caracterización de minerales de manera más eficiente.
1.5 Antecedentes
La historia de la emisión o absorción resonante empieza a finales del siglo pasado con la sugerencia de Lord Rayleigh de observarla en sistemas atómicos y termina, por el momento, con el descubrimiento del llamado efecto Móssbauer (1957).
Estamos familiarizados con la resonancia mecánica: "hay que empujar un columpio con una frecuencia determinada para obtener su máximo desplazamiento', y también lo estamos con la resonancia electromagnética: "la absorción máxima de energía de una onda electromagnética en un receptor de radio se obtiene cuando la frecuencia de la onda incidente coincide con la frecuencia de oscilación del circuito
LC del receptor".
Análogamente, un sistema atómico o nuclear absorbe energía de un campo de fotones incidentes cuando la energía de los fotones coincide con la diferencia de energías entre dos estados del sistema.
Wood (1902) observó la absorción de luz amarilla de Na por un gas de Na. El experimento era sencillo: excitaba átomos de Na poniendo el Na sólido cerca de una llama. De la desexcitación obtenía luz amarilla que después focalizaba sobre un balón que contenía Na gas. Se observaba una disminución de la intensidad del haz transmitido en la dirección de la incidencia. La interpretación era inmediata: se excitaban térmicamente átomos de Na, los cuales después de un cierto tiempo (B) volvían a su estado fundamental con emisión de luz. Esta luz era absorbida por el gas de Na, excitando dichos átomos. En un tiempo B volvían a su estado fundamental reemitiendo luz en todas direcciones, de forma que se observaba una disminución de intensidad en la dirección de incidencia.
En 1929 Kuhn empezó a investigar la posibilidad de absorción nuclear resonante y no fué hasta 1957 en que R. Móssbauer mostró que ello es posible si se implantan los núcleos emisores y absorbentes en una matriz sólida.
1.6 Marco teórico conceptual:
La tecnica Mossbauer es una herramienta fundamental para el estudio de la estructura
nanoscopica de diversos materiales que representan un rol clave en el desarrollo tecnológico, especialmente el hierro y sus compuestos. La técnica de medición fue desarrollada en la década del 70, periodo en que se diseñó y perfecciono el instrumental que actualmente se utiliza en la mayoría de los laboratorios. Desde entonces son pocas las modificaciones que se han realizado a la instrumentación asociada con este tipo de observación nuclear.
Las tecnicas Mossbauer tradicionales de aceleración constante y de velocidad constante
Encuentran limitaciones en algunas experiencias particulares, sobre todo en lo que se refiere al estudio de la dinámica de los materiales ante variaciones de parámetros externos, como temperatura, campo magnético, presión o grado de evolución de una transición de fase.
APLICACIONES
Química Analítica:
Por las características y potencial de la EM, uno de los campos de aplicación mas intensamente explorado ha sido el de la geoquímica. Los primeros estudios realizados con EM sobre minerales de importancia geológica, fueron los concernientes a la interacción magnética del cuadrupolo perturbado del Fe en
hematita; que a su vez condujeron a determinar con precisión la transición Fe2+/Fe3+ y los campos magnéticos internos de la magnetita. Todo ello condujo a una mayor compresión de los procesos petrogenéticos en los que tales minerales están presentes.
Por otro lado, uno de los mas importantes grupos de minerales formadores de rocas son los silicatos. Este grupo mineral, generalmente tiene grandes celdas unitarias con mallas de baja simetría y estructuras cristalinas complejas. Por lo común, cristalizan como solución sólida a alta temperatura y al ir enfriando sufren variadas reacciones líquido-sólido y sólido-sólido que generan intercambios atómicos e iónicos entre sitios de red, entre cristales de fases coexistentes, etc.; lo que se deriva en estados metaestables complejos que dificultan delinear su historia térmica. Gracias a la EM, se ha podido determinar la ocupancia en posiciones particulares de sitios de red - lo que ninguna otra técnica lograba elucidar- conduciendo a una mejor comprensión de la petrogénesis de silicatos.
Otra aplicación típica de la EM es el análisis del estado de oxidación del Fe en sus posiciones de red. En ciertas estructuras cristalinas (p.ej. óxidos tipo espinela o en silicatos de cadena larga) una posición de la red puede ser ocupada por hierro férrico y hierro ferroso en distintas proporciones; en esos casos, la relación ferroso/férrico revela las presiones parciales del oxígeno presente durante la cristalización, lo cual es un parámetro de gran significado geológico.
Algunas más de las muchas elucidaciones de problemas relacionados con las geociencias logradas con EM han sido los mecanismos de hidrólisis y absorción en arcillas, la determinación de poliedros de coordinación en minerales vitreos, reacciones Mg2+/Fe2+ orden-desorden en piroxenos, estructura de la plagioclasa y - una de las de mas impacto- historia térmica de basaltos.
Una espectacular aportación de la EM a las geociencias –por su carácter exoquímico-ha sido la caracterización de los minerales y suelos lunares en muestras traídas por las sucesivas misiones a la Luna. Esta caracterización permitió distinguir las sutiles diferencias entre “mares” y las “tierras” lunares; diferencias que se reflejan en los albedos de ambas, pero que no son distinguibles con las técnicas comunes. La EM permitió elucidar las diferencias y correlaciones entre regolitos y estados de oxidación de los suelos lunares, resolviendo la historia térmica de los minerales cristalinos y vitreos coexistentes.
Este notable éxito químico-analítico condujo –naturalmente- a utilizar la misma técnica en el reciente proyecto de exploración de la superficie del planeta Marte. En este caso, a diferencia de los materiales lunares que se trajeron al laboratorio a analizar bajo condiciones controladas, el laboratorio fue llevado a los materiales. El espectrómetro Mössbauer fue miniaturizado sin perder ninguna de sus capacidades como lo ilustra la siguiente fotografía:
Este espectrómetro fue colocado en el extremo de un brazo palpador o sonda…
Y transmitió una ingente cantidad de información química tomada “in situ”…
Actualmente se conducen en forma cotidiana, estudios por EM de paleomagnetismo, oligoelementos como trazadores, Tierras Raras y elementos pesados, fenómenos de relajación anelástica de rocas en sismología y vulcanología e incluso -como muestra de la extraordinaria potencia de esta técnica- se está utilizando para caracterizar y elucidar el historial de objetos arqueológicos de piedra o arcilla, permitiendo eliminar la subjetividad de las interpretaciones arqueológicas como fué el caso de la alfarería del antiguo Egipto, de la que se logró determinar el origen de las arcillas utilizadas en cada objeto; su procesamiento y su época de fabricación.
Bioquímica y Farmacología
Otro campo donde la EM ha jugado un papel medular para elucidar aspectos complejos o aclarar cuestiones no resueltas por otras técnicas es el de las grandes moléculas –e incluso organismos- propios de la Química Biológica; al grado de que actualmente laboratorios y hospitales están incorporando EM no solo para investigación y desarrollo, si no como herramienta cotidiana para control y aseguramiento de calidad. Se hace mención de unas cuantas entre las más divulgadas…
Finalmente, como ejemplo de una aplicación extrema del efecto Mössbauer se menciona un curioso experimento: En la EM la posición de una línea resonante está relacionada con un alto grado de precisión a una velocidad Doppler conocida; e inversamente, una línea resonante conocida puede relacionarse a una velocidad
Doppler. Partiendo de esto, el experimento en cuestión consistió en medir el movimiento colectivo de las hormigas en un hormiguero en función de la temperatura del suelo, siendo las hormigas las proveedoras de la velocidad Doppler para una línea resonante dada por un isótopo Mössbauer aplicado en forma de pintura a las hormigas. El análisis espectral permitió determinar los componentes medios de velocidad en la dirección contraria al gradiente de temperatura.
1.7 Metodología
Nivel y tipo de Investigación:
El proyecto sigue en proceso, todavía no llego a su culminación o fase final
Diseño de la investigación.
La investigación se desarrolló en tres partes: recolección de la información. Procesamiento de la información y desarrollo de la información.
Delimitación de la población y muestra (en caso necesario)
Técnicas e instrumentos de recolección de datos.
Se utilizó una recolección previa de información, se trató de buscar en diferentes páginas web que hablaran sobre el tema que se iba a tratar o desarrollar en el proyecto.
Procedimiento de recolección de datos.
La recolección de datos se dio mayormente en los sitios web de informes científicos. Buscando paper o trabajos científicos relacionados con el tema.
Procesamiento y análisis de datos.
Los datos recolectados, o la información recolecta fue debidamente procesada y verificada para el desarrollo del proyecto y el paper
Referencias Bibliográficas
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G., V. M. (2008). ESPECTROSCOPÍA Mössbauer. 12.
González, R. W. (1988). Algunas aplicaciones de la espectroscopía Mossbauer. Revista Mexicana de Física, 10.
López, F. J. (s.f.). Espectroscopía de. Departamento de, 78.
Mobarak, M. J. (2006). ESPECTROSCOPIA MÖSSBAUER -PRINCIPIOS Y APLICACIONES. sociedad quimica de mexico,A,C , 9.
R. Bianchi, A. S. (2008). ANÁLISIS MÖSSBAUER DE UN ACERO MARTENSÍTICO-FERRÍTICO 9%Cr CON DISTINTOS TIEMPOS DE REVENIDO. asociacion argentina de materiales , 5.
RAMOS, D. C. (2010). CARACATERIZACION MEDIANTE ESPECTROSCOPIA MOSSBAUER. ESCUELA DEL NODO .PELICULAS DELGADAS Y NANOESTRUCTURADAS DE LA RED ARGENTINA DE NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGIA: MATERIALES NANOESTRUCTURADOS Y NANOSISTEMAS, 50.
Veiga, A. L. (2008). Avances en Espectroscopia Mössbauer:Nuevas Estrategias para Experimentos de. UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Electrotecnia, 157.
Planteamientos del desarrollo:
Análisis e Interpretación
2. CRONOGRAMA DEL PROYECTO
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ETAPAS
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INICIO
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FINAL
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Primera etapa :inicio
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Miércoles 2 de setiembre
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Lunes 7 dee setiembre
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3. Recursos
3.1 Humanos
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NOMBRE
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LABOR
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Vilca Romero Dolman Valentín
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Investigador
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Arequipa, 2015 setiembre 7
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Firma Responsable |
