La mayor inversión de Estados Unidos en autoensamblaje de partículas busca hacer realidad la promesa de la nanotecnología

Con aplicaciones en transporte, energía, atención médica y más, el centro reúne a universidades africanas y crea oportunidades para talentos ignorados en los Estados Unidos.

Para llevar la eficiencia y flexibilidad de la naturaleza a los materiales avanzados y la fabricación aditiva, la Universidad de Michigan liderará un equipo internacional de científicos, ingenieros y educadores en un centro de cinco años y 30 millones de dólares financiado por la Fundación Nacional de Ciencias.

Uno de los principales objetivos tecnológicos del Centro de Sistemas de Partículas Complejas (COMPASS) es diseñar materiales que sean más que la suma de sus partes y que puedan traducirse rápidamente a la fabricación mediante impresión 3D. El centro se inspira en la forma en que la naturaleza combina una variedad de materiales para construir células, que luego crean tejidos, órganos y organismos vivos. Para hacer esto con partículas sintéticas, el equipo tratará los conjuntos de partículas como sistemas que escalan desde la nanoescala, pasando por la microscópica, hasta la macroescala.

«En los organismos vivos, muy pocas estructuras tienen una sola función. Si queremos hacer más con menos energía, menos materiales y menos desperdicio, debemos aprender a hacer lo mismo». nicolás kotovProfesor Distinguido de Ciencias Químicas e Ingeniería de la Universidad Irving Langmuir, quien dirige el centro.

Modelado y predicción de estructuras autoensambladas.

Durante la última década, la teoría de grafos y la ciencia de redes han surgido como herramientas poderosas para comprender interacciones complejas en grandes sistemas, incluidos ecosistemas y redes sociales. Combinando la ciencia de redes y la nanociencia, el equipo podrá describir y luego predecir cómo miles de millones y billones de partículas imperfectas interactúan entre sí para formar estructuras complejas con nuevas funciones.

Este enfoque podría acelerar el tan esperado progreso en nanotecnología. A diferencia de estudios anteriores, que tendían a mezclar como máximo dos tipos de partículas a la vez, el equipo pretende incorporar múltiples tipos de partículas con diferentes tamaños, formas, composiciones de materiales, modificaciones de superficie y más. Este enorme aumento de la complejidad es la razón por la que se necesita el centro.

«Comprender y diseñar sistemas complejos requiere una diversidad de conocimientos, experiencia e ideas. COMPASS reúne a investigadores de física, química, ingeniería mecánica, ciencia de materiales, ingeniería y matemáticas aplicadas con siete de las escuelas de ingeniería química de Michigan para desarrollar esta nueva clase de materiales. » él dijo. Sharon Glotzer, Antonio C. Lembke es presidente del Departamento de Ingeniería Química y líder científico del centro.

Los esfuerzos de investigación comenzarán utilizando la teoría de grafos para modelar las estructuras de partículas de diferentes formas y luego relacionando sus funciones con esas estructuras. Esto incluye propiedades útiles como elasticidad, tenacidad, densidad y conductividad. Con esta nueva capacidad predictiva, el equipo se enfocará en una variedad de aplicaciones, trabajando con socios industriales para producir materiales resistentes y livianos para vehículos y aeroespacial; que conducen calor para aplicaciones electrónicas y de energía; que conducen electrones o iones para baterías, electrónica y química verde; O es poroso para el almacenamiento y filtración de productos químicos.

Comprometidos con ampliar la participación en ciencia y tecnología

Paralelamente a la importancia de la diversidad en los sistemas de partículas que estudiará el centro, tiene un fuerte enfoque en la justicia social y el impacto global. Los programas de extensión buscarán talentos locales que a menudo se pasan por alto y llegarán a las escuelas secundarias locales que atienden a poblaciones económicamente desfavorecidas, así como a comunidades históricamente excluidas.

Los estudiantes de escuelas asociadas pueden participar a través de tres programas: Kids Who Code, Summer Action Research Experience y Ross Summer Business Academy. Estará disponible en todas las universidades estadounidenses que participan en el centro, centrándose en la contratación de estudiantes de Detroit, Chicago y Los Ángeles.

«Las personas que hacen ciencia determinan lo que se hace a través de la ciencia», dijo. Lola Eniola-Adiveso, decano asociado de educación de posgrado y profesional de la Facultad de Ingeniería y profesor de diversidad y transformación social en ingeniería química de la universidad. «Es por eso que diseñar COMPASS para incluir científicos de entornos históricamente excluidos, que aportan nuevas perspectivas tanto a las aplicaciones de ciencia básica como de ingeniería, es tan importante y emocionante».

El centro también invertirá en talento africano para ayudar a desarrollar la próxima ola industrial en África, revirtiendo la historia de extraer materias primas de África para refinarlas y convertirlas en productos terminados en otros lugares.

actualmente, Martín aunque, que dirige la divulgación y el intercambio en el centro y es profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, está trabajando con la Universidad Kenyatta en Nairobi, Kenia, para explorar enfoques que requieran menos recursos para abordar los desafíos técnicos locales. Ha liderado iniciativas para traer estudiantes talentosos a los Estados Unidos para obtener títulos avanzados o, en asociación con organizaciones sin fines de lucro y la industria, traer profesores africanos a los Estados Unidos para una participación industrial a corto plazo. El Centro ampliará este intercambio estableciendo nuevas asociaciones con el Instituto de Tecnología de Botswana, la Universidad de Mauricio y la Universidad Cheikh Anta Diop de Dakar.

«Estamos trabajando en innovaciones frugales utilizando moléculas complejas y de múltiples escalas, desde estructuras moleculares para la microelectrónica del futuro hasta grandes biofibras para lubricantes sólidos más seguros», dijo Tho. «También estamos buscando moléculas para la fabricación aditiva que tengan en cuenta el usuario y el ciclo de vida del producto. Nuestro enfoque permitirá el diseño de piezas inteligentes con propiedades que coincidan o se adapten a las condiciones de trabajo».

El centro también reclutará a veteranos de las Fuerzas Armadas de EE. UU. para becas de emprendimiento. Esto debería aprovechar la experiencia previa en liderazgo y operaciones y al mismo tiempo proporcionar ingresos, ya que muchos estudiantes veteranos mantienen a sus familias.

Compass es uno de los cuatro centros de ciencia y tecnología NSF anunció hoy.

«El descubrimiento científico es el motor que impulsa el progreso humano y forma la base de todas las tecnologías de las que nos beneficiamos hoy», dijo el director de NSF, Sethuraman Panchanathan.

«Los Centros de Ciencia y Tecnología de la Fundación Nacional de Ciencias permiten a nuestros científicos e ingenieros más innovadores abrir nuevos caminos para la investigación científica y hacer descubrimientos que mantendrán a los Estados Unidos a la vanguardia del descubrimiento científico. Me complace ver la impresionante originalidad de las ideas y métodos en estos nuevos STC y sabemos que tendrán un impacto masivo.

El líder tecnológico del centro es Ellen ArrudaTim Manganiello/Cátedra BorgWarner de Ingeniería Mecánica en la UM. Diversidad, Equidad e Inclusión son protagonistas Stephanie BrookeProfesor de Química y Profesor Asistente de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales en la Universidad Estatal de Wayne. El líder de transferencia de conocimiento es Pierre Ferdinand BaudiotProfesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM. La educación es protagonista Ronald LarsonWhite, Profesor Distinguido de Ingeniería Química de la UM.

Las universidades asociadas de EE. UU. incluyen la Universidad Estatal de Carolina del Norte, la Universidad Estatal Wayne, la Universidad de Illinois, la Universidad Estatal de Chicago, la Universidad Northeastern y la Universidad del Sur de California.

Los socios de la industria incluyen Boeing, Airbus, Electra.aero y Aurora Flight Sciences, así como las empresas de fabricación LIFT y America Makes.