MAT2010-20459: Bases Estructurales de las Propiedades de Transporte en Vidrios con Interés Tecnológico (PROGLASS).
Presupuesto:
El Proyecto cuenta con un presupuesto financiable de 80.000 € que ha sido financiado parcialmente por el Ministerio de Ciencia e Innovación y cofinanciado con fondos FEDER. Así mismo, se concedió una Beca FPI para la realización del proyecto
Participantes:
M.J.Pascual (Científico Titular, IP)
F.Muñoz (Científico Titular)
A. Durán (Profesora de Investigación)
A. de Pablos Martín (JAE-Predoctoral)
N. Mascaraque (Becara FPU)
L.Muñoz (Becaria FPI)
Objetivos
El objetivo de este proyecto es el estudio de la relación entre la estructura atómica y las propiedades de transporte de dos sistemas vítreos modelo con aplicaciones en el campo de la energía y la fotónica.
• La aplicación de nuevos vidrios de fosfato de litio con elevada conductividad iónica como electrolitos en baterías recargables obliga a modificar la composición, bien por adición de diferentes elementos formadores de red o intermedios que forman nuevas unidades estructurales, o mediante modificaciones de la red aniónica, por sustitución parcial de oxígeno por nitrógeno o por flúor, para generar un aumento de la movilidad de los iones litio. La obtención de nuevos vidrios conductores de litio daría mayor versatilidad a las actuales baterías de litio, no solo por la ventaja de ser electrolitos sólidos sino también facilitando el procesamiento y aumentando la estabilidad térmica y química. El estudio de las relaciones estructura-propiedades de transporte permitirá avanzar en el conocimiento de los mecanismos que rigen estas propiedades y optimizar simultáneamente todas las propiedades relevantes a la aplicación propuesta.
• El desarrollo de vidrios de silico-aluminato precursores de vitrocerámicos transparentes, con distribución homogénea de fases cristalinas por debajo de 30 nm, más la incorporación de elementos de tierras raras a las fases nano-cristalinas de fluoruro dentro de una matriz vítrea transparente, constituye una novedad tecnológica muy importante para el desarrollo de nuevos materiales en el campo de las telecomunicaciones y de la fotónica. Las excelentes propiedades mecánicas y químicas de los vidrios de aluminosilicato, mejoradas tras la desvitrificación controlada de fases nanocristalinas, junto con su facilidad de conformado, son ventajas únicas de estos nano-materiales. Su caracterización estructural y la evolución de las propiedades reológicas de la matriz y de las interfases durante el proceso de cristalización, permitirá identificar los mecanismos que gobiernan la cristalización inhibiendo la etapa de crecimiento. Será también posible seguir la modificación del entorno de los dopantes, promoviendo su localización en los cristales de fluoruro, para aumentar la intensidad de la emisión de la luminiscencia lineal y de up-conversion y el tiempo de vida de las emisiones.
Resumen y resultados más relevantes.
En el proyecto PROGLASS (MAT2010-20459) se ha abordado el estudio de la relación entre la estructura y las propiedades de transporte en dos sistemas con elevado interés tecnológico: vidrios de fosfato con alta conductividad iónica para su aplicación como electrolitos sólidos en baterías recargables de litio y vidrios de silico-aluminato, precursores de nano-vitrocerámicos transparentes que, dopados con tierras raras, tienen un papel destacado en aplicaciones fotónicas y telecomunicaciones.
Por un lado, se han estudiado vidrios de oxinitruro con otras sustituciones aniónicas (F- o S2-) y con óxidos estabilizadores, como ZnO y Al2O3, o formadores de red (B2O3). Se caracterizaron las propiedades eléctricas, enfocadas a la aplicación de vidrios de fosfato de litio como electrolitos sólidos, y su viscosidad, estudiando la reología de vidrios de fosfato y su relación con la estructura atómica. Los estudios estructurales se han basado en espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear (RMN), difracción de neutrones y espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS). Por otro lado, se han caracterizado las propiedades reológicas de vidrios de metafosfato con diferentes relaciones modificador/formador, analizando la relación entre características químicas y estructurales con las propiedades térmicas.
En el campo de los vitrocerámicos transparentes de oxifluoruro, se ha avanzado en el estudio de la estructura de los materiales y de los entornos de coordinación de los dopantes y su difusión desde la matriz vítrea a los cristales de fluoruro, a través de técnicas avanzadas de RMN, difracción de rayos x (DRX), espectroscopia de absorción de rayos X (XANES y EXAFS) con radiación sincrotrón, y microscopía electrónica de alta resolución en los vitrocerámicos de LaF3. Esto ha permitido confirmar y modelizar los mecanismos de cristalización propuestos. Se ha logrado establecer un modelo descriptivo de las fases que se forman durante la cristalización y de los cambios químicos alrededor de los núcleos y el aumento de su rigidez como función del tiempo de tratamiento. Además, se ha profundizado en la preparación y caracterización de vitrocerámicos con fases de fluoruros dobles NaLaF4, KLaF4, NaYF4 y en la optimización de la eficiencia óptica en función de los dopantes y co-dopantes y de los tratamientos térmicos de nucleación/cristalización.
Estos estudios han dado lugar a la publicación de 17 artículos en revistas SCI, a la lectura de una tesis doctoral en 2012 y la realización de dos tesis doctorales más a presentar en 2014 y 2015.