Cinco investigadores del CEAT reciben premios NSF CAREER

lunes, 25 de septiembre de 2023

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La Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Tecnología de la Universidad Estatal de Oklahoma siempre ha sido hogar de investigadores e innovadores que brindan soluciones a algunos de los mayores desafíos del mundo.

Estos investigadores han obtenido el reconocimiento y el apoyo de entidades destacadas como la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). Sin embargo, en 2023 se registró un récord de cinco ganadores CEAT de los premios del Programa de Desarrollo Profesional Temprano de la Facultad (CAREER) de la NSF.

El premio CAREER Award ofrece los premios más prestigiosos de la NSF en apoyo a profesores que inician su carrera y que pueden servir como modelos académicos en investigación y educación y liderar avances en la misión de su departamento u organización.

La Dra. Aurelie Azoug ha sido seleccionada para recibir un premio Early CAREER Award de la NSF de casi $600 000 para realizar investigaciones en el área de los mecanismos de disipación en elastómeros inteligentes.

Esta investigación permite a Azoug, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, comprender mejor los mecanismos que conducen a la disipación de energía de los elastómeros inteligentes y así controlar mejor esos mecanismos para aplicaciones futuras.

"Este premio es una gran validación", dijo Azoug. "Es un reconocimiento que dice: 'Oye, estás haciendo buena ciencia y nos gustaría que continúes por este camino y ver hacia dónde puedes llevar esta investigación'".

Estos elastómeros de cristal líquido están construidos de manera que, si bien contienen una estructura altamente organizada, a nivel molecular conservan un comportamiento suave y elástico que permite una variedad más amplia de aplicaciones. También son inteligentes, lo que significa que reaccionan a los cambios en su entorno, como cambios térmicos o mecánicos.

La investigación sobre elastómeros inteligentes es relativamente nueva y se ha centrado principalmente en la creación de estos materiales, tanto desde el punto de vista químico como físico. Hasta ahora se ha investigado poco sobre las propiedades de estos materiales y las características secundarias que pueden ser útiles para investigadores y consumidores.

Debido a la estructura organizada, hay una disipación de energía dentro del material cuando se deforma. Estos mecanismos de disipación podrían mejorar significativamente el rendimiento de los amortiguadores utilizados en la reducción de vibraciones o ruido. Si los investigadores comprendieran mejor cómo se producen estas disipaciones, podrían limitar mejor su construcción para fines específicos.

"Esa es la premisa de esta propuesta", dijo Azoug. “¿Podemos entender exactamente qué sucede en el material durante ciertos cambios ambientales o mecánicos? Si es así, podemos usar esa información para aplicar esas características cuando queremos o no queremos que se produzcan esos mecanismos de disipación”.

Azoug también explorará los métodos mediante los cuales estos materiales se solidifican físicamente durante el proceso de curado. Actualmente, muchos elastómeros se curan utilizando fuentes de luz ultravioleta, ya que es el método de curado más rápido y controlable. Azoug y su equipo desean explorar cómo optimizar el curado y determinar si los parámetros de curado podrían influir en la decisión de algunas de las características de disipación de estos materiales.

Ella cree que al comprender estos comportamientos a nivel molecular, estos elastómeros inteligentes podrían usarse en materiales compuestos para aplicaciones en diferentes áreas, como la recolección de energía, la atención médica y la robótica blanda.

"Un ejemplo perfecto de aplicación sería el uso de estos materiales en la producción de materiales amortiguadores de vibraciones para su uso dentro de un casco de fútbol", dijo Azoug. "Si podemos identificar un elastómero que sea muy eficiente en la amortiguación de impactos, podríamos producir un nuevo material compuesto que podría revestir el interior de un casco de fútbol y producir un mayor impacto en la salud de los atletas a un costo menor".

El premio NSF CAREER también requiere un componente educativo para cada propuesta, y el enfoque de Azoug es algo que le apasiona profundamente: presentar a las mujeres jóvenes desde el jardín de infantes hasta la escuela secundaria en los campos STEM.

La investigadora y su equipo planean desarrollar aún más las actividades de divulgación que ya están llevando a cabo, como una introducción a la robótica blanda utilizando robots blandos notablemente simples hechos de elastómero que los estudiantes podrían manipular y controlar mediante codificación.

"Creo que es primordial que estas jóvenes estén expuestas a estas áreas de la ciencia y que mujeres ingenieras y científicas les enseñen", dijo Azoug. “Quiero que las niñas tengan la oportunidad de ver a una mujer triunfar y tener una carrera en ingeniería. Quiero que sepan que seguir ese tipo de carrera está bien y que ellos también pueden hacerlo”.

La Universidad Estatal de Oklahoma seguirá siendo un innovador en las comunicaciones de próxima generación, en parte gracias al premio Faculty Early CAREER Award de la NSF otorgado al Dr. John O'Hara, profesor asistente de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática.

O'Hara investigará soluciones a varios desafíos relacionados con el backhaul inalámbrico para la comunicación inalámbrica 6G. Backhaul se refiere a la conexión de gran ancho de banda, generalmente de fibra óptica, que transporta cantidades masivas de datos desde numerosos sitios de comunicación estática e inalámbrica a una red central.

"Piense en ello como una tubería grande que conecta muchas tuberías más pequeñas a un sitio de recolección grande", dijo O'Hara. "La comunicación 6G de próxima generación probablemente tendrá velocidades de transferencia de datos de hasta 1 terabyte por segundo y no contamos con el sistema para transmitir esa cantidad de datos de forma inalámbrica".

O'Hara y su equipo están desarrollando un sistema que utilizará ondas de terahercios como vehículo para la transmisión de datos. Las ondas de terahercios pueden transportar grandes cantidades de datos, pero se comportan de manera muy parecida a un láser y, por lo tanto, son propensas a enfrentar algunos de los mismos desafíos que los láseres.

Apuntar es un problema importante con los láseres y un factor desconocido cuando se trata de transmisión de terahercios. Si la señal o el receptor se desplazan una fracción de grado, ¿causará eso una pérdida total de la señal? Si es así, ¿qué soluciones son las más prácticas de emplear?

El equipo planea utilizar superficies reflectantes inteligentes como controladores de haz multifuncionales. La combinación de terahercios y reflectores inteligentes permite la transmisión de señales inalámbricas de gran ancho de banda y al mismo tiempo supera las dificultades de utilizar ondas de terahercios en un entorno no controlado.

Aunque pueda parecer una solución sencilla, los desafíos que enfrentará el equipo requieren que se desarrollen tecnologías y ciencia innovadoras para resolverlos. La fluctuación de las olas, las variables ambientales y la pérdida de datos durante la transmisión son sólo algunos de los desafíos que enfrentará el equipo.

"Los terahercios y la comunicación de próxima generación tienen una visión bastante bien definida", dijo O'Hara. “Pero no hay muchas manifestaciones hasta este momento. Esta próxima generación de tecnología de comunicación inalámbrica está todavía en su infancia. Es como un elefante bebé, puede que sea un bebé, pero es un bebé grande y requerirá mucho esfuerzo para domesticarlo”.

El equipo de investigación ya ha comenzado a experimentar con la transmisión de datos en un entorno exterior. Hasta la fecha, han podido enviar datos en un tramo de 182 metros y apuntan a más de un kilómetro para su próximo hito.

El objetivo es transmitir de forma inalámbrica un vídeo de ultra alta definición que se entrega a través de un cable de fibra óptica al sistema de transmisión de terahercios; recibirlo a larga distancia a través de las condiciones atmosféricas; y luego convertirlo nuevamente a cable de fibra óptica para verlo.

Si tiene éxito, esto servirá como base de prueba de concepto para los sistemas de comunicación inalámbrica 6G, demostrará nuevos conceptos en superficies reflectantes inteligentes y revelará la nueva ciencia que rige dichos sistemas.

"Una distancia de 182 metros puede no parecer mucho", dijo O'Hara. "Pero eso nos ha brindado datos y experiencia invaluables que podemos utilizar a medida que alargamos la distancia entre los puntos de transmisión y recepción".

O'Hara y su equipo también reconocen el importante impacto social que tendrán las comunicaciones de próxima generación, específicamente en las comunidades rurales que pueden no tener el ancho de banda.

Si bien es un investigador respetado, O'Hara valora el reconocimiento del premio NSF CAREER y atribuye su éxito a un increíble sistema de apoyo y un toque de casualidad.

"Yo lo llamo suerte", dijo O'Hara. "He sido muy afortunado de haber estado rodeado de un inmenso apoyo y excelentes colegas y es un poco fortuito, simplemente estar en el lugar correcto en el momento correcto y aprovechar las oportunidades que se te brindan".

El Dr. Marimuthu Andiappan, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química, recibió un premio Early CAREER Award de la NSF por su investigación sobre reacciones de acoplamiento cruzado carbono-carbono y carbono-nitrógeno.

Este tipo de reacciones prevalecen en las industrias química y farmacéutica para fabricar polímeros conjugados, agroquímicos y productos farmacéuticos, como Tylenol e ibuprofeno.

Sin embargo, la tecnología y los procesos industriales actuales utilizan catalizadores raros y costosos a base de paladio y requieren condiciones de alta temperatura y presión atmosférica para producir los resultados deseados. Estos procesos también producen una gran cantidad de desechos antes de que se produzca el producto, del orden de 25 a 100 kilogramos de desechos por cada kilogramo de producto obtenido.

El enfoque de Andiappan y su equipo es triple: reemplazar los costosos y raros catalizadores de paladio con fotocatalizadores económicos y abundantes en la Tierra a base de cobre o hierro. Gracias a los nuevos fotocatalizadores, las reacciones no requerirían condiciones de alto calor o presión atmosférica y dependerían de simples luces LED que producen luz visible. Finalmente, el uso de estos fotocatalizadores heterogéneos permite que la reacción y la obtención del producto se realicen en una única cámara fluida y hace innecesarios los procesos actuales utilizados para separar el producto del catalizador.

"Los tres pasos de esta propuesta nos permitirían minimizar o evitar la huella de carbono de estos procesos críticos", dijo Andiappan. "Con el tiempo, esperamos que estos procesos se conviertan en procesos netos de carbono cero".

Estas reacciones dependen en gran medida del uso de combustibles fósiles y otras fuentes de energía no renovables para producir productos finales importantes. Sin embargo, los cambios propuestos permiten a los ingenieros llevar a cabo estas reacciones utilizando la red eléctrica ya existente, y podrían comenzar a explorar fuentes de energía alternativas, como la energía eólica o solar.

"Esfuerzos como esta propuesta nos permitirán desarrollar estas nuevas tecnologías y procesos al ritmo necesario, de modo que podamos desarrollar una fuerza laboral que esté preparada para la transición hacia una mayor dependencia de fuentes de energía renovables y sostenibles", dijo Andiappan.

Los procesos que se utilizan actualmente en la industria son los mismos procesos que se han utilizado durante décadas y que se siguen enseñando en las aulas a futuros ingenieros y científicos. Como parte de su premio, Andiappan espera cambiar eso integrando su investigación en el plan de estudios de OSU a través de un nuevo curso electivo para estudiantes de CEAT y otros departamentos interesados ​​en todo el campus.

"Si integráramos un nuevo curso centrado en estos nuevos procesos y tecnologías en nuestro plan de estudios, los estudiantes de OSU se graduarían con un conjunto de habilidades más competitivo y completo que quizás un estudiante de otra universidad", dijo Andiappan. "De esta manera podremos suministrar más ingenieros y científicos cualificados para el estado de Oklahoma y para todo Estados Unidos"

Mientras él y su equipo se embarcan en los siguientes pasos de su investigación, Andiappan reflexionó sobre el hito de recibir el premio NSF Early CAREER.

“Es un reconocimiento increíble recibirlo. Es una sensación increíble que nuestra investigación sea reconocida por nuestros pares y agencias nacionales como la Fundación Nacional de Ciencias”, dijo Andiappan. "Nos ha dado mucha confianza a mí y a mis alumnos para seguir adelante y continuar con esta increíble investigación".

La Dra. Nicoletta Fala, profesora asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en OSU, obtuvo un premio Early CAREER de la NSF por su investigación sobre el uso de la realidad virtual en la simulación de vuelo para avanzar y promover la investigación y la transferencia positiva de habilidades en el entrenamiento de vuelo mejorado.

El investigador de la Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Tecnología cree que la investigación y el entrenamiento de vuelo estándar podrían aumentarse y avanzarse utilizando aplicaciones de hardware y software de simulación de vuelo de realidad virtual, lo que podría tener un impacto significativo a la hora de abordar la actual escasez de pilotos en el mundo.

“Si contamos con el software de realidad virtual y el diseño curricular adecuados, podríamos usarlos para mantener las competencias y habilidades de los pilotos, reduciendo así el costo de la capacitación y los obstáculos para ingresar a la investigación relacionada con el vuelo, así como los accidentes que ocurren debido a fallas en la capacitación. ”, dijo Fala.

Ella cree que, si bien no todas las habilidades se pueden aprender a través del entrenamiento en realidad virtual, hay una gran cantidad de habilidades de vuelo cruciales que podrían introducirse y entrenarse inicialmente utilizando entornos fuera de los aviones reales y los simuladores de vuelo tradicionales.

"El entrenamiento actual en aviones y en vuelo simulado requiere recursos que son costosos y necesitan una huella grande y específica para operar", dijo Fala. "Sin embargo, si se demuestra que un simulador de entrenamiento de realidad virtual es tan efectivo como los métodos tradicionales de instrucción, podríamos reducir significativamente el costo de capacitar a pilotos nuevos y actuales".

Fala plantea la hipótesis de que las habilidades de vuelo que requieren más fidelidad visual, a diferencia de la fidelidad del movimiento, podrían adaptarse a un entorno de realidad virtual. Durante un experimento preliminar, se dio cuenta de que cuando a sus estudiantes de investigación se les pidió que completaran una maniobra de "girar alrededor de un punto", utilizada para entrenar a los estudiantes a tener en cuenta el viento en sus entradas de control al rodear un punto estacionario, tuvieron dificultades en un entorno de simulador de vuelo tradicional. debido a la falta de campo de visión. Sin embargo, cuando se les pidió que completaran la misma maniobra en un entorno de realidad virtual, los estudiantes pudieron completar la tarea más fácilmente debido a la capacidad de la realidad virtual para producir una vista de 360 ​​grados para los usuarios.

Si bien esta tarea en particular se consideró una "victoria" para el entorno de realidad virtual, Fala y su equipo han identificado desafíos que los estudiantes, instructores y pilotos actuales podrían enfrentar al utilizar este nuevo enfoque de simulación. Las interacciones de los pilotos, ya sea con un instructor o con la aviónica, enfrentarán desafíos en un entorno de realidad virtual.

"Para que este proyecto sea exitoso, lo primero en lo que debemos concentrarnos es en superar los desafíos que hemos identificado, como desarrollar una manera de superar las interacciones y la comunicación entre estudiantes e instructores en el entorno de capacitación", dijo Fala. "Además, muchas aeronaves modernas tienen aviónica digital que requiere la interacción y la participación del piloto para operar, lo que puede ser más difícil de replicar en un entorno virtual".

El premio NSF CAREER Award permitirá a Fala y su equipo superar y responder a los desafíos y preguntas encontrados mientras crean y desarrollan una forma viable para que los pilotos nuevos y actuales aumenten su capacitación. Facilitará el crecimiento de la población piloto y reforzará la capacitación recurrente de una manera más eficiente en términos de costos y tiempo.

“Recibir este premio ha sido uno de mis objetivos desde que era estudiante de posgrado y mi propio asesor recibió un premio CARRERA”, dijo Fala. “Me apasionan todos los componentes del proyecto: educación, investigación e implementación, así que parecía que estaba hecho para mí. Es bueno tener a alguien más que crea en tu trabajo. Es fácil formular una idea y creer que es una buena idea en tu propio silo, pero también contar con el reconocimiento de tus pares y de otras personas en el área de investigación es muy gratificante”.

El Dr. Ritesh Sachan recibió un premio Faculty Early CAREER Award de la NSF por realizar una investigación única en su tipo sobre nanopartículas de aleaciones de alta entropía.

Sachan recibirá más de 500.000 dólares durante los próximos cinco años para promover su propuesta de investigación, "Conducir a descubrimientos acelerados en el procesamiento ultrarrápido de alto rendimiento impulsado por láser de nanopartículas de aleaciones de alta entropía", un área que es en su mayor parte territorio por descubrir.

"Me siento honrado de recibir este premio", dijo Sachan, profesor asistente en el departamento de ingeniería mecánica y aeroespacial. “Es muy prestigioso y muy apreciado entre nuestros pares académicos y de investigación. Crea mucha visibilidad para mí y para mi investigación, lo que permite mayores oportunidades de financiación y la oportunidad de colaborar con otros en el campo”.

Las aleaciones se utilizan todos los días. El acero, el latón y el bronce son materiales compuestos principalmente por dos o tres materiales dominantes. La investigación de Sachan se centra en la formación y composición de aleaciones de alta entropía que contienen al menos cinco elementos o materiales diferentes en diversos porcentajes. Se podría encontrar que estas aleaciones de alta entropía tienen las mismas o mejores características que algunas de sus contrapartes de aleaciones puras o tradicionales.

Estas nanopartículas se crean disparando un láser a través de una película delgada de cada material compuesto, lo que hace que la película se rompa, se arrugue y, finalmente, cree nanopartículas que se pueden probar.

La aplicación predominante de estos materiales es la catálisis para la producción de energía. Estos procesos suelen utilizar materiales caros o escasos, mientras que esta investigación podría encontrar un nuevo material igual de eficaz pero compuesto por elementos más rentables y abundantes.

"La rentabilidad a largo plazo es el mayor beneficio", dijo Sachan. “En este momento, el catalizador más popular es el platino, que es muy caro. Sin embargo, si se puede reemplazar con nuevos materiales hechos de níquel, cobalto, etc., es posible que aún se pueda obtener la efectividad del platino, pero a un costo mucho menor”.

Sin embargo, es posible que el producto no sea el único aspecto innovador de la investigación de Sachan. Si bien el uso de métodos de producción impulsados ​​por láser no es un concepto nuevo, la adaptación de ese método a la producción de nanopartículas de alta entropía requerirá enfoques y metodologías originales basados ​​en métodos de producción bien fundamentados.

"Estamos realizando una investigación fundamental", dijo Sachan. "Es posible que los nuevos materiales no sean el único producto de esta investigación, pero los métodos y procedimientos que utilizamos a lo largo del camino podrían ser transformadores para esta área de investigación".

Sachan llevará a cabo una investigación fundamental sobre la nueva composición de nanopartículas y sus beneficios, además de utilizar nuevos métodos para revisar y comprender la microestructura de estas nanopartículas. Por ejemplo, utilizará técnicas 4D STEM (microscopía electrónica de transmisión de barrido 4D) junto con aprendizaje automático para identificar y comprender las propiedades estructurales de estas nanopartículas.

"Esta investigación es muy emocionante", dijo Sachan. “La NSF calificó esta propuesta como 'alto riesgo, alta recompensa' porque somos los primeros en aventurarnos en esta área particular de investigación. Es a la vez emocionante e intimidante debido a lo desconocido”.

Si bien se desconoce el resultado de la investigación, el investigador no se inmuta ante los desafíos que le esperan.

"Es emocionante porque tenemos un camino a seguir", dijo Sachan. “Sabemos los pasos que vamos a dar. Queda por ver si tendrá éxito o no, pero será un viaje interesante”.

Fotos: Gary Lawson

Historia de: Jeff Hopper | Revista IMPACTO