Revista .ing │ nº.4 Nanoingeniería

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Modelado numérico del secuestro geológico de dióxido de carbono Una publicación de la Facultad de Ingeniería de la UBA

Nanoingeniería MATERIALES QUE SE LAS ARREGLAN SOLOS

QUÍMICA MAGNÉTICA

LA FUERZA DE LA ATRACCIÓN

FÍSICA PARA LA MEDICINA

· 2018

ISSN 2545-7691

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SUMARIO

| editorial

Ingeniería en las grandes y en las pequeñas cosas 03

Nanoingeniería

Materiales que se las arreglan solos 04 | 06

Nanoingeniería

Química magnética 08 | 11

Nanoingeniería

La fuerza de la atracción 12 | 17

Nanoingeniería

Física para la medicina 18 | 20

STAFF Comité Editorial (Por Res. Decano 988/18)

Ing. Mario Alonso Dr. Ing. Juan Giribet Dr. Ing. Sergio Lew

| breves

Nueva propuesta académica JIAFES 2019 Ingenieros por un día Políticas abiertas

Coordinador editorial: Lic. Daniel Krupa Equipo de producción Diseño DG Carla Percivale DG Tatiana Zambianchi Redacción de contenidos Lic. Daniel Krupa Jerónimo Liñán

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Editor de fotografía DG Martín Dubovich Corrección Bettina Villar

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Asistente de producción Marisol Rivera Impreso en noviembre de 2018. Revista .ing es una publicación de distribución gratuita. ISSN 2545-7691

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Los cimientos detrás del ingenio Ing. Tomás del Carril

nuestros graduados

La reproducción parcial de los contenidos de esta publicación deberá ser autorizada previamente por su Comité Editorial.

Contacto Av. Paseo Colón 850 - CABA C1063ACV - Argentina prensa@fi.uba.ar

www.ingenieria.uba.ar

Modelado numérico del secuestro geológico de dióxido de carbono

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actores de la fiuba

Parte de la historia Renato Leyton 34


EDITORIAL

Nº 04

Ingeniería en las grandes y en las pequeñas cosas En 2020 celebraremos los 150 años de la graduación de Luis A. Huergo, el primer ingeniero con el que contó nuestro país, y este 2018 celebramos los 100 años de la graduación de Elisa B. Bachofen, la primer ingeniera Latinoamericana. Ambos graduados en nuestra Universidad. En esta gestión entendemos que es una excelente oportunidad para hacer un balance de lo que hemos aportado y aportamos a nuestra comunidad, desde aquellos tiempos a esta parte, como una institución que forma ingenieros que deben re­solver problemas y mejorar la calidad de vida de las mismas personas que financian sus estudios e investigaciones. Pero también será una ocasión ideal para planificar qué tipo de facultad queremos para este siglo xxi que ya estamos transitando con permanente sorpresa ante los casi cotidianos cambios en nuestra forma de vida. En ese sentido, el sumario de este cuarto número de .ing –en el que podrán constatar que la ingeniería está en las grandes cosas, tales como puentes, barcos, represas, pero también en las pequeñas, como aquellas que requieren de una escala nanométrica– tiene como objetivo central mostrar una facultad de ingeniería que impulsa y acompaña investigaciones científicas de última generación a partir de la irrupción de la nanotecnología. El trabajo con imanes nanoestructurados, el desarrollo de materiales cerámicos magnéticos, el análisis del comportamiento mecánico de polímeros capaces de monitorear su propio daño estructural o el uso de tecnología MOS (dispositivos electrónicos estructurados por Metal-Oxide-Semiconductor) con desarrollos ya palpables en el ámbito de la medicina son sólo algunos de los ejemplos desplegados en esta edición y que nos confirman la capacidad de nuestra facultad como usina de innovaciones tecnológicas de punta.

Quiero aprovechar este espacio para también señalar que a poco de tener el honor de asumir como decano en marzo de este año, presentamos junto con un gran equipo de trabajo más de doscientos proyectos, de los cuales cincuenta tienen alta prioridad. Uno de ellos era la apertura del Departamento de Energía, que ya es una realidad desde agosto, y que nos permitió ubicarnos a la vanguardia de estos temas en el ámbito académico y científico. Este nuevo espacio docente posibilitará que la FIUBA participe activamente en uno de los ejes centrales del desarrollo de cualquier país del mundo: su matriz energética. De esta forma, el desarrollo sustentable, el abordaje de las fuentes primarias de energía (tanto las renovables como los reservorios de gas y petróleo no convencional), la regulación, costos, precios y tarifas del sector energético, las cuestiones ambientales y sociales de acceso a la energía y la evolución del despacho eléctrico afectado por las fuentes intermitentes y la evolución del auto eléctrico formarán parte de una política integral de nuestra Facultad de Ingeniería con permanentes repercusiones en nuestra sociedad. Con la siempre firme convicción y esfuerzo para mejorar la facultad y ponerla a la altura de los desafíos que nos tocan afrontar en el presente y el futuro, los despido muy cordialmente hasta el próximo número de .ing. Ing. Alejandro M. Martínez Decano de la Facultad de Ingeniería


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Materiales que se las arreglan solos Entrevista en su laboratorio de Av. Las Heras a la Dra. Celina Bernal, responsable del equipo científico de la FIUBA que se ocupa de investigar y generar compuestos inteligentes.

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esta altura del siglo xxi, ya se sabe que para conocer las bondades de un determinado material, resulta menester saber de qué está compuesto. Cuanto más profunda sea dicha información, seguramente será más amplio el abanico de posibilidades que ofrecerá el elemento. Uno de los primeros en entender esta consigna fue un tal Charles Goodyear, que en 1839 modificó el hule –calor mediante– en caucho vulcanizado, una sustancia resistente a un amplio margen de temperaturas.

sistemas que desempeñen simultáneamente diferentes funciones estructurales, o funciones estructurales y no estructurales combinadas. “Una alternativa muy prometedora es la posibilidad de fabricar compuestos autoreforzados o compuestos de un solo polímero. En ellos, el refuerzo está formado por fibras o bandas de polímero altamente orientado, de elevada resistencia, mientras que la matriz es un polímero con la misma naturaleza química, pero menor temperatura de fusión o ablandamiento”.

De aquellos años a esta parte, han habido cientos, tal vez miles, de avances en la indagación de nuevos materiales para distintas aplicaciones y necesidades a partir del análisis de polímeros, del griego “polys” (“muchos”) y “meros” (parte). En 2018, las líneas de investigación del Grupo de Propiedades Mecánicas y Fractura de la Facultad de Ingeniería de la UBA, que lidera la Dra. en Ciencias de Materiales Celina Bernal, se centran no sólo en el estudio del comportamiento mecánico de polímeros, sino en analizar sus fracturas para luego desarrollar técnicas que puedan producir compuestos que permitan resolver sus propias fallas. Dicho de manera más sintética: materiales inteligentes.

Actualmente, los compuestos de polipropileno (PP) autoreforzado están disponibles en el mercado con el nombre comercial de Curv®, Armordon® y Pure®, y se utilizan en componentes de vehículos, valijas, productos deportivos y materiales de protección, entre otros: “Los compuestos autoreforzados –señala la entrevistada– compiten con los compuestos tradicionales en varios campos de aplicación en función de su relación desempeño/costo. La facilidad de reciclado es una de sus principales ventajas, ya que representa la mejor opción cuando se considera el reprocesamiento vía fusión. En este aspecto, estos compuestos pueden considerarse como materiales amigables con el medioambiente. Otra ventaja competitiva es la posibilidad de fabricar partes y estructuras livianas debido a que su densidad está muy por debajo de la de los polímeros reforzados tradicionales. En consecuencia, el

La directora del Grupo de Propiedades Mecánicas y Fractura explica que existe un creciente interés actual por estructuras multifuncionales, motivado por la necesidad de desarrollar nuevos

Página anterior: La Dra. Celina Bernal, coordinadora del Grupo de Propiedades Mecánicas y Fractura de la FIUBA.


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desarrollo de materiales compuestos reciclables y ultralivianos impacta favorablemente en el ambiente, disminuyendo el uso de plásticos de origen petroquímico (no renovable), como así también el consumo de energía y la contaminación ambiental”, fundamenta Bernal. “En relación directa con estas líneas principales, se está trabajando en el desarrollo de materiales compuestos multifuncionales, esto es, que desempeñan simultáneamente diferentes funciones estructurales o funciones estructurales y no estructurales combinadas. Dentro de estos compuestos mulfifuncionales, se desarrollan compuestos estructurales biodegradables y compuestos capaces de monitorear su propio daño estructural. Estos últimos, son compuestos basados en polipropileno o tereftalato de polietileno (PET), modificados con partículas eléctricas carbonáceas (negro de humo, grafeno o nanotubos de carbono). El agregado de las partículas eléctricas confiere al polímero conductividad eléctrica y, a partir de cambios en su comportamiento eléctrico inducidos por deformación mecánica, el material resultante es capaz de monitorear su propio daño estructural”, resume Bernal sobre este trabajo, que realiza en conjunto con los Dres.

Patricio Soricchetti y Ligia Ciocci del Grupo de Láser, Óptica de Materiales y Aplicaciones Electromagnéticas (GLOMAE), también de la FIUBA, en lo que respecta a la caracterización eléctrica de los materiales. El impacto de estos desarrollos también es amplio. Las capacidades de este grupo –que comenzó con sus actividades científicas en septiembre de 2013–, en cuanto a la caracterización mecánica de materiales poliméricos, se transfieren a industrias locales como servicios técnicos de alto nivel, que incluyen no sólo ensayos mecánicos convencionales, sino también el desarrollo de nuevas técnicas de caracterización mecánica de materiales para prestaciones específicas. “Si bien existe algún desfasaje respecto a los desarrollos en el ámbito científico internacional, debido mayormente a la falta de equipamiento de última generación, se participa en congresos internacionales y se realizan publicaciones en revistas de alto impacto en la temática”, dice Bernal. A la fecha, las actividades del grupo se financian mediante proyectos de UBA (UBACyT), CONICET (PIP; Proyectos de Unidades Ejecutoras), FONCyT (PICT), Ministerio de Defensa (PIDDEF), Ministerio de Educación (SPU), Servicios Técnicos de Alto Nivel (STAN). El grupo se compone de especialistas en comportamiento mecánico de polímeros, en simulación numérica, en materiales cementicios, en implantes poliméricos. También participan estudiantes de doctorado compartidos con otros grupos de investigación del ITPN, de la UBA y del Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales (INTEMA) de Mar del Plata

Parte de los integrantes del Grupo de Propiedades Mecánicas y Fractura junto a la prensa hidráulica para moldeo por compresión de polímeros y materiales compuestos.



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Química magnética La Dra. Silvia Jacobo, directora de la División Química de Materiales Magnéticos Aplicados a la Ingeniería, detalla la amplia gama de aplicaciones que se desprenden de los elementos magnéticos.

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n el interior de un armario de madera conviven frascos con cloruro de cobalto, ácidos, compuestos orgánicos y otras drogas. Frente al mueble, sobre dos mesadas, se apoyan tubos de ensayo, un agitador orbital, recipientes con soluciones acuosas en verde o amarillo, muestras de zeolita. El uso variado de estos elementos se resume en un pizarrón negro colocado en una de las paredes. En distintas letras y colores de tiza, escritos por separado, figuran cálculos de experiencias que van desde la química a la electrónica, de la ingeniería biomédica a una aplicación ambiental; aunque todos parten de la misma materia prima: los elementos de composición magnética. En este laboratorio del Departamento de Química de la FIUBA, que funciona en el último piso de la sede de avenida Paseo Colón, trabaja la División Química de Materiales Magnéticos Aplicados a la Ingeniería (DiQuiMMAI), un espacio de investigación multidisciplinario. Como señala la Dra. Silvia Jacobo, directora del laboratorio, y formada en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, la aplicación de materiales magnéticos es inherente a las temáticas de la ingeniería, de ahí su impacto en distintos enfoques de trabajo. “Desarrollamos varias líneas de investigación que tienen en común el uso de nanopartículas magnéticas con diferentes composiciones. Algunas se fueron transformando a lo largo del tiempo y otras permanecen desde nuestros inicios. En la actualidad, trabajamos sobre materiales cerámicos magnéticos –ferritas

espinelas y hexagonales–, materiales magnéticos compuestos –polímero conductor y magnetita–, nanopartículas magnéticas insertadas en matrices inorgánicas como catalizadores para remediación ambiental y nanopartículas magnéticas funcionalizadas para la recuperación de petróleo”, detalla. Con profunda base de conocimientos para las ciencias químicas, Jacobo comenzó su actividad en esta Casa de Altos Estudios hacia 1990, en el entonces denominado Laboratorio de Fisicoquímica de Materiales Cerámicos Electrónicos (LAFMACEL), un área que, años y transformaciones mediante, decantaría en la actual “División Química”. “Mi formación profesional se orientó hacia los materiales magnéticos, particularmente en el desarrollo químico involucrado en las etapas de preparación, por vía húmeda, de óxidos mixtos en base a hierro, un tema que desarrollé en mi tesis doctoral. Además, el diseño de métodos de preparación es uno de los aspectos de la química que más me entusiasma”, dice la investigadora. Una de las consecuencias de este método de trabajo –que articula investigación básica con su aplicación en diversos campos de la ingeniería– es la heterogeneidad de sus contribuciones en el ámbito de la industria. En ese sentido, la adquisición de experiencia en la preparación de ferritas espinelas y hexagonales, perovskitas con componentes magnetorresistentes y materiales multiferroicos, entre otros minerales, fue funda-


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mental para ampliar las aristas de trabajo, que en un principio se volcaban, en mayor medida, hacia la preparación de materiales cerámicos destinados al sector electrónico. “Los cerámicos magnéticos, en base a hierro, presentan propiedades eléctricas (semiconductores), magnéticas (líneas permanentes o aptas para grabación), ópticas (absorción y reflexión de la radiación electromagnética) y químicas (resistencia a la corrosión y estabilidad química)”, amplía Jacobo. Y agrega sobre otros minerales que sirven de materia prima para sus investigaciones: “Las ferritas, por su parte, en lo que refiere a sus propiedades magnéticas y eléctricas, están gobernadas críticamente por su composición química. Esta composición puede ser cambiada, de forma tal que permita un ajuste de las propiedades magnéticas, lo que representa una ventaja para cualquier aplicación. En cuanto a los multiferroicos, nuestro gran interés se basa en el hecho de que sus órdenes ferroicos pueden interactuar, y por lo tanto pueden presentar una nueva física, así como posibles aplicaciones tecnológicas”. Otra línea de trabajo en la que el laboratorio fue ampliando su experiencia se enfoca en la preparación de nanopartículas de composición magnética. “Hemos preparado ferrofluidos e investigado su aplicación biomédica en tratamientos de hipertermia, un proceso que ya se viene desarrollando en la Argentina. Esta técnica médica para el tratamiento de tumores cancerosos se basa en la propiedad que poseen las nanopartículas magnéticas para disipar la energía recibida, a partir

de un campo de frecuencia variable, y transformándola en calor localizado (hasta 43 o 44 °C). Por lo tanto, si este ferrofluido biocompatible se inyecta en el torrente sanguíneo y se concentra en un tejido afectado con células tumorales, el incremento térmico puede destruir esas células selectivamente”, cuenta Jacobo. Además, las nanopartículas magnéticas también representan una materia prima para la preparación de hidrogeles, en lo que refiere al encapsulamiento de medicamentos. “Con estos hidrogeles se preparan membranas. Y mediante la aplicación de un campo magnético, es posible modular la liberación controlada de fármacos, y así transformar estos materiales en membranas inteligentes”, explica la directora de este laboratorio, también perteneciente al Instituto de Tecnologías y Ciencias de la Ingeniería “Ing. Hilario Fernández Long” (INTECIN), y de dependencia doble por parte de la UBA y el CONICET. Del mismo modo, entre los últimos avances impulsados por este espacio de trabajo se detallan investigaciones en el campo de la petroquímica y en el área de remediación ambiental. Algunas de las más auspiciosas tienen que ver con el desarrollo de ferrofluidos acuosos con propiedades para mejorar la mojabilidad del petróleo en rocas, o la transformación de contaminantes en compuestos inocuos, según los estándares de salud humana y de medioambiente. Acerca del impacto social de este último tratamiento, señala Jacobo que los efluentes acuosos

De izquierda a derecha: Braian Merlo, Ing. Analía V. Russo, Martín Castro, Dra. Silvia E. Jacobo, Dr. Carlos Herme y Sol Bustos, parte del equipo de la DiQuiMMAI.


que provienen de industrias químicas, petroquímicas y farmacéuticas “contienen compuestos orgánicos, tales como alcoholes, fenoles, bencenos, aminas, éteres y aromáticos clorados, en distintas combinaciones y concentraciones. Se trata en general de un asunto tóxico y peligroso, tanto para su descarga directa al medioambiente como para su almacenamiento. Frente a esto, el grupo de investigación propone elaborar y estudiar la aplicación de un filtro relleno con una zeolita natural tipo clinoptilolita, modificada para la remoción de hidrocarburos que provienen de naftas disueltas en soluciones acuosas. “La selección de este mineral natural se basa en su bajo costo y la gran abundancia de zeolita que tenemos en el territorio nacional. En esencia, a través de un proceso innovador de modificación, la zeolita se convierte en un catalizador adecuado para el Proceso Avanzado de Oxidación (PAO)”, argumenta. La amplitud de las experiencias que se vienen llevando desde este ámbito de investigación representa una oportunidad para la transferencia de conocimientos, no sólo al interior del campo científico, sino también entre sectores ligados a la salud, las industrias y el manejo de recursos naturales. Desde sus inicios, la División Química de Materiales Magnéticos Aplicados a la Ingeniería ha logrado resultados promisorios en aplicaciones biomédicas en hipertermia, a través de la preparación de ferrofluidos con nanopartículas de magnetita dopada con cinc; o también del desarrollo de pinturas con materiales compuestos de ferritas que no solo presentan propiedades absorbentes de radiación electromagnética en la zona de banda X, sino que exhiben una resistencia notable a la corrosión química. Por su parte, en el campo de los estudios ambientales, el grupo ostenta resultados prometedores en ensayos vinculados a la remoción de benceno, tolueno, xileno, MTBE y colorantes azoicos, a partir del desarrollo de un catalizador para oxidar in situ la materia orgánica. En cuanto a su financiamiento, las tareas del laboratorio se sostienen, en gran medida, por el aporte de subsidios a la investigación de la Universidad de Buenos Aires (UBACyT). Sin embargo, el área también ha formado parte de proyectos de Investigación Científica y Tecnológica (PICT) y de Modernización de Equipamientos (PME), ambos impartidos por la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT). Otro aspecto importante que refleja la sostenibilidad de sus trabajos se basa en la articulación con otros grupos

Esferas de quitosano y magnetita para adsorción de cobre en soluciones acuosas.

Remoción de soluciones de petróleo en soluciones salinas con nanopartículas magnéticas.

de estudio, tanto a escala local como internacional. Algunos ejemplos de estas colaboraciones son los contactos con las universidades nacionales de La Plata y de Córdoba, o de Ekaterimburgo (Rusia) y del País Vasco (España). Desde su lugar de investigadora de esta Casa de Altos Estudios, Jacobo opina que las condiciones en que se inicia y sostiene un proyecto, al igual que su marco de aplicación, son dos variables a las que un profesional de la ciencia debe prestar atención siempre. “En nuestro país, históricamente, el Estado promueve la investigación en las universidades públicas que, entre muchas funciones que cumplen, buscan contribuir positivamente en la sociedad, formando científicos e investigadores altamente calificados, que con sus trabajos y desarrollos, fortalezcan el aparato productivo del país. Si bien las condiciones varían, se apunta a que la universidad, el Estado y el sector privado encuentren puntos de contacto, a los fines de conseguir una relación sinérgica que impulse investigaciones”, precisa. La premisa de formar científicos cuyos aportes susciten una mejor calidad de vida para los argentinos es un elemento constitutivo de esta área de conocimiento. Del seno de la División Química de Materiales Magnéticos Aplicados a la Ingeniería han surgido cuatro doctores y alrededor de veinte graduados de la FIUBA, y se encuentran en desarrollo dos tesis de doctorado en ingeniería y otras cuatro tesis de grado


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La fuerza de la atracción Encuentro con el Dr. Ing. Marcelo Pagnola, director de la Planta Piloto de Materiales Magnéticos del Laboratorio de Sólidos Amorfos, un área de investigación donde se trabaja en torno a las propiedades de ciertos elementos magnéticos a escalas nanométricas.



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n el subsuelo de la sede de av. Paseo Colón 850 de la Facultad de Ingeniería de la UBA, un equipo de investigadores se dedica a indagar en las bondades de los materiales magnéticos. Los estudios abarcan, entre otras cuestiones, la producción de cintas magnéticas y su uso en las nuevas tecnologías de soldadura y la formación de nanoestructuras, eje temático de esta cuarta edición de .ing. Esas líneas de investigación sobre el magnetismo –que reconoce al filósofo helénico Tales de Mileto (624 a. C. - 545 a. C.) como el primer curioso en analizar este fenómeno– están siendo impulsadas por la Planta Piloto de Materiales Magnéticos (PPMM) del Laboratorio de Sólidos Amorfos (LSA) de la FIUBA, hace más de quince años. “El tipo de aplicación tecnológica de este tipo de indagaciones científicas es diverso”, afirma el Dr. Ing. Marcelo Pagnola, actual director de la PPMM del LSA. Según Pagnola, los usos de estos desarrollos varían desde sensores y actuadores electrónicos, hasta la aplicación en medicina y medioambiente de nanopartículas magnéticas para funciones de remediación y aplicación especializada en dosificación de medicamentos.

“Además –detalla Pagnola–, estos procesos utilizados en los distintos laboratorios que poseen las distintas líneas de investigación, con sus responsables a la cabeza, también han desarrollado aspectos ligados al patentamiento de dispositivos, como lo es el caso de la línea de Tecnologías de Soldadura o la de Materiales Magnéticos, que posee con la UBA una patente adjudicada; o también el caso de nuestra Planta Piloto de Materiales Magnéticos que posee otra en trámite, con un desarrollo tecnológico con empresas en el proceso de producción de Melt Spinning para la generación de materiales magnéticos usados en núcleos para transformadores eléctricos y núcleos para imanes permanentes. Desde

esta área se viene participando hace años en proyectos de transferencia tecnológica como lo son los FONARSEC (Fondo Argentino Sectorial) y los Proyectos de Desarrollo Técnico y Social (PDTS). En ambos casos, ligados a industrias del sector privado que complementan la línea de producción de nuestro laboratorio. En todos los casos existen los compromisos adquiridos para los desarrollos específicos, dentro de los convenios marco reglamentados por cada uno de los proyectos que lleva adelante la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT) y las diversas entidades gubernamentales que ofrecen estos financiamientos”. Pagnola es ingeniero mecánico de la Universidad de Lomas de Zamora, doctor en Ingeniería de la UBA, investigador adjunto del CONICET en el ámbito del Instituto de Tecnologías y Ciencias de la Ingeniería “Hilario Fernández Long” (INTECIN), docente y director de tesis de grado y doctorado. Ha disertado en más de treinta congresos y firmado artículos en revistas nacionales e internacionales indexadas. Es autor de libros y de capítulos de libros en el área de materiales magnéticos y procesos con aplicaciones tecnológicas. Forma parte de comités editoriales y científicos en áreas de simulación de procesos y nanomateriales. Cuando se le pregunta al director de la PPMM sobre los casos más emblemáticos o de mayor impacto en lo que hace a transferencia de conocimiento, desde su laboratorio no duda en afirmar que un aspecto fundamental para la línea de materiales magnéticos es la implementación de una Planta Piloto de Materiales Magnéticos (PPMM), desarrollada desde un instrumento público como fue el proyecto FONARSEC FS Nano 03/10 e instalada dentro del INTECIN, instituto de doble dependencia UBA-CONICET. “Hemos podido participar, desde su formación, en aspectos que están ligados al desarrollo y fabricación de materia prima para la industria de transformadores eléctricos y núcleos de imanes permanentes, pudiendo así brindar asesoramiento técnico y de fabricación de componentes especiales para la industria del sector. Resolviendo desde el diseño y la programación dedicada en los equipos de CNC instalados, la fabricación especial de componentes propios y solicitados”, detalla sin ocultar el entusiasmo por los logros alcanzados junto a su equipo de colaboradores. Otro aspecto relacionado a esta línea de trabajo es la capacidad de complementar prácticas


curriculares con estudiantes de grado de la carrera de Ingeniería Mecánica en lo que hace a formación y manejo supervisado frente a los equipos de control numérico de planta, completando estudios de grado con equipos que realmente están insertos en la industria y con los cuales interactuarán a la hora del desempeño laboral. Pagnola explica que estas actividades ya están llevándose adelante exitosamente con distintas cátedras del Departamento de Ingeniería Mecánica de la FIUBA. “El impacto académico de esta línea también permite desarrollar recursos en el área de la formación de grado y posgrado de estudiantes locales y extranjeros. Al respecto, nuestra línea ha participado mediante instrumentos internacionales de colaboración bilateral en proyectos del Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación de Colombia (Colciencias) y ha formado recursos humanos extranjeros en temáticas particulares. También tiene la satisfacción de haber participado exitosamente en la formación de grado de varios tesistas y en trabajos finales de carrera. Como también en la actual participación formativa de distintos doctorandos. Para lo cual se viene trabajando en forma acompasada con las Comisiones de Seguimiento y la Secretaría de Investigación, Posgrado y Doctorado de la FIUBA”, cuenta. Vale señalar que desde la dirección del LSA y de la PPMM se impulsaron dos patentes UBA: una, ya adjudicada, que está bajo la órbita de la Línea de Nuevas Tecnologías de Soldadura, otorgada en octubre de 2016 bajo el código AR078206B1. La otra patente, dependiente la Planta Piloto de Materiales Magnéticos, fue desarrollada bajo el marco del proyecto FS Nano

Arriba: Histeresígrafo DX-4DMT, utilizado para control de calidad de piezas fabricadas. Abajo: Planta piloto de materiales magnéticos. De izquierda a derecha, el Técn. Marcos Muñoz (CPA - operario), el Dr. Ing. Marcelo Pagnola (director) y el Ing. Marcelo Barone (responsable técnico).


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03/10, y se denomina “Rueda refrigerada y acople magnético para ser empleado en la técnica de Melt Spinning”, en trámite desde diciembre de 2014. A propósito de los recursos disponibles para esta actividad científica, Pagnola señala que su equipo de trabajo está constituido por personal de la FIUBA y del CONICET, y que para desarrollar su línea de trabajo se financia con proyectos de la ANPCyT (Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica), de UBACyT, del CONICET-MINCyT y de PIO-CONICET. Actualmente, la línea de Materiales Magnéticos está llevada adelante por los integrantes de la PPMM y de distintos miembros del LSA, en forma específica y de acuerdo al proyecto en particular. En relación al marco general de cada proyecto, participan de estos, según el caso, algunas empresas e instituciones académicas nacionales e internacionales. Se tienen proyectos presentados con universidades del interior del país y sus referentes locales, y también con referentes internacionales. Las áreas escogidas para la presentación de los proyectos están relacionadas con el alcance de la línea de investigación y con las especificidades de cada presentación, abarcando desde el conocimiento de materiales y tecnologías de fabricación hasta la necesidad de la aplicación concreta del producto tecnológico.

Molino planetario Retsch PM100, para uso pulvimetalúrgico.

“Generalmente, el perfil requerido para la participación es científico-técnico con conocimientos en técnicas de caracterización de materiales por Difracción de Rayos X, Microscopía Electrónica (SEM - EDAX), Espectroscopía Mössbauer, Medidas Magnéticas, conocimientos de técnicas pulvimetalúrgicas y de fabricación con diseño mecánico CAD-CAM y electrónica de componentes. Además de ser complementados estos aspectos por el conocimiento químico y físico de las tecnologías de fabricación, como el manejo de las síntesis utilizadas, su control, y el de las atmósferas inhertes o el vacío requerido en los distintos procesos. Y como decía anteriormente, el grado de participación de alumnos está encuadrado dentro del área formativa de grado y posgrado”, dice Pagnola. Dentro de las distintas herramientas utilizadas para la realización de proyectos de investigación financiados, su línea es pionera en la relación entre el sector público y privado. Entre las herramientas públicas planteadas para la financiación de estrategias compartidas en riesgo e inversión tecnológica, el FONARSEC de la ANPCyT (Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica) considera la asociación entre ambos sectores en los denominados CAPP (Consorcio Asociativo Público-Privado) como opción contractual entre las partes, obligando al sector privado a realizar los aportes necesarios para la generación de la infraestructura necesaria de los proyectos. Y al sector público, de las políticas de financiación. “Estos proyectos –comenta Pagnola– pasan periódicamente por distintas auditorías internas y externas con especialistas extranjeros que garantizan la idoneidad y puesta en funcionamiento de los hitos pautados. Con plazos para cumplir, y un seguimiento específico con responsables en distintas especialidades. Esto plantea una exigente carga administrativa, que el sector de gestión científica siempre subvalora. Es cierto también que estas herramientas, me refiero a los CAPP, no son estáticas y se modifican en los distintos llamados, pero plantean un esquema bastante razonable a la hora de ‘poner sobre la mesa’ diversos intereses entre sectores. En estos instrumentos se consideran los aportes y retribuciones, no siempre monetarios como sería lo mas común pensar, sino también los recursos humanos y físicos para la generación de un claro acuerdo explícito que lleve a un razonable puerto al objeto desarrollado entre ambas partes. Otra opción de transferencia entre sectores son los denominados proyectos PDTS (Proyectos de Desarrollo


Técnico y Social), los cuales requieren también una contraparte, generalmente empresa privada, que sea receptora de la tecnología desarrollada. En estos casos, habitualmente se suscriben cartas de intención y posteriores convenios que materializan los vínculos entre empresas y laboratorios para afianzar estrategias a mediano plazo”. “Es cierto que existen también otras formas de asociación desde el sector científico-tecnológico que involucran la inserción de la tecnología al sector productivo desde sus distintos niveles de gestación, como lo son los proyectos Startup, financiados también por la ANPCyT. Estos proyectos han permitido el surgimiento de incipientes tecnologías en distintos laboratorios de la universidad, que a la hora de su ‘madurez’ tecnológica han podido continuar su crecimiento mediante financiamientos evolutivos en proyectos posteriores. Esta tendencia debería ser la ideal para obtener una inserción en un mercado demandante. Pero tan real como ello, y la incubación de estas ideas desde su origen, lo son también el estudio de mercado potencial, para lo cual no existen herramientas públicas definidas. Además, tampoco existe un actual afianzamiento de las variables macroeconómicas que permitan una razonable tasa de aprovechamiento de recursos asignados para ejecutar a valores constantes la moneda adquirida para el desarrollo propuesto, con una dinámica muy cambiante que atenta con los objetivos de investigación a mediano plazo. Factores, digamos, que no dependen propiamente del sector tecnológico, pero que lo afectan fuertemente a la hora de la ejecución”, agrega este investigador de la FIUBA.

Prensa hidráulica de 50 t para uso en pulvimetalurgia de materiales.

Para Pagnola, la articulación de la universidad con los distintos sectores del entramado productivo y científico es clave para resolver problemáticas tecnológicas complejas y disminuir la gestión y administración entre los tiempos del sector público y el sector privado. “Sobre esto no hay un manual de prácticas de buenas costumbres”, dice. Y agrega: “Pero es vital defender desde distintos sectores las herramientas de gestión pública en todas las etapas. Desde el presupuesto asignado a las universidades públicas para su financiamiento, hasta la ejecución de los programas específicos, controlando las etapas intermedias y evitando las subejecuciones presupuestarias que, en definitiva, atentan contra la capacitación del factor humano, tanto en las etapas de formación académica como en la de gestión administrativa del sector público. En definitiva, la relación entre sectores a largo plazo se debe ir perfeccionando y retroalimentando de manera continua. Y en esa relación bidireccional, la universidad pública, con todos sus actores y todos sus claustros, juega un rol de contralor muy importante”, concluye


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NANOINGENIERÍA


Física para la

medicina

Entrevista al director del laboratorio de la FIUBA desde donde se trabaja en dosimetría MOS, un dispositivo electrónico de escala nanométrica que amplía las posibilidades de los actuales equipamientos involucrados en diagnósticos y tratamientos oncológicos.

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acido en agosto de 1951, exalumno del Colegio Nacional de Buenos Aires, designado como mejor trabajo de estudiante por el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) en 1984 y galardonado con el Premio a la Investigación Científica y Tecnológica de la Universidad de Buenos Aires por el período 1993-1996, Adrián Faigón es PhD en Ciencias por la Universidad Hebrea de Jerusalén y licenciado en Física de la FCEyN de la UBA. Es, además, fundador y director del Laboratorio de Física de DispositivosMicroelectrónica de la Facultad de Ingeniería de la UBA, que abrió sus puertas en 1988, dedicado a indagar en la física de dispositivos MOS, por sus siglas en inglés: metal, óxido, semiconductor. Según Faigón, los dispositivos MOS representan hoy el 99 por ciento de todo lo electrónico que nos rodea: “Lo que tenés en los relojes, en las memorias de las computadoras, todo está hecho en base a esa tecnología, que forma el corazón de transistores, memorias, sensores de cámaras fotográficas, etcétera. Hoy, prácticamente, la electrónica es decir MOS”, afirma. Y con paciencia docente señala: “La tecnología de la microelectrónica tiene su impulso en la fuerte reducción de sus dimensiones en los últimos veinte, treinta años. Digo, estudiando fenómenos asociados a la reducción de dimensiones, terminamos desembocando en el estudio de captura de cargas en el óxido, una de las tres capas que forman la estructura; y vinculado a eso, los efectos de la

radiación sobre las estructuras MOS. Esto nos llevó al uso de esos dispositivos como sensores de radiación, una línea de trabajo de la que nos ocupamos los últimos diez años en el laboratorio: los sensores de radiación ionizante, hechos con estructuras metal, óxido, semiconductor”. La aplicación de estos sensores en el monitoreo de las dosis que reciben los pacientes en tratamientos de radioterapia –donde se usa radiación ionizante–, permite desarrollar dosímetros basados en estructuras MOS, lo que, dice Faigón, conlleva muchas ventajas, ya que es muy fácil añadir esos sensores en un circuito integrado que contenga además amplificadores, filtros, adaptadores. “Todo se puede incorporar fácilmente porque pertenece a la misma tecnología, cosa que no ocurre cuando el sensor está fabricado en otra”, detalla. Y agrega: “Los tratamientos oncológicos por radioterapia tienen la dificultad que cuando uno quiere atacar el tejido maligno de un tumor, destruye también el tejido sano, que circunda al tumor. De modo que lo que se busca permanentemente es la mayor precisión, dar la mínima dosis indispensable para que el tumor vaya reduciéndose. Y geométricamente también, se busca por muchísimas maneras tratar que el tumor reciba el máximo de radiación. Por ejemplo, ‘cañoneando’ desde distintos ángulos, de modo que la parte del tejido sano que se atraviese sea una fracción de lo que finalmente recibe en total el tumor. En efecto, hay una dificultad

El Dr. Faigón junto a una Gold Ball Wire Bonder, que conecta mediante delgadísimos hilos de oro las muestras fabricadas por el Laboratorio de Física de Dispositivos Microelectrónica.


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que es saber exactamente cuánta dosis está recibiendo el conjunto, cada parte, etcétera, y todo esto se hace con simuladores matemáticos muy pesados, que en el área de la radioterapia se llaman planificadores. En función de los principios básicos de cómo se propaga la radiación, cómo la materia absorbe esa radiación, cómo eso se transforma en la ionización de las moléculas o los átomos, se pretende saber la dosis que recibe cada parte atravesada por el haz. Pero las técnicas de monitoreo están muy atrasadas respecto de las técnicas utilizadas para la entrega de la dosis”. Las últimas investigaciones del Laboratorio de Física de Dispositivos-Microelectrónica de la FIUBA buscan monitorear la dosis que previamente fue planificada por los planificadores, revisar si la planificación estaba correcta y ver si cada parte recibió la dosis que tiene que recibir. “Por encima de esto –dice Faigón– hay otra cosa: y es que se registran bastantes accidentes en la radioterapia. Entonces, los organismos y agencias de protección que controlan la actividad plantean ciertos estándares. Por ejemplo, que las dosis entregadas no deben superar un cinco por

Detalle del instrumental de trabajo del Dr. Faigón.

ciento de error respecto a lo planificado. Estos organismos están recomendando hacer dosimetría in vivo, que quiere decir durante la irradiación. Por eso, cuando vamos a hacer mediciones a los centros médicos, en general se muestran ansiosos de que terminemos algún prototipo, para que lo puedan ir usando. En síntesis, la mejora sería proveer un instrumento cómodo, económico, fácil de usar, para monitoreo in vivo de la radioterapia”. En el tramo final de la nota, Faigón convoca la idea que la novedad no es la tecnología en sí misma, ya que la patente del MOS data de 1929, aunque no funcionó entonces. El primer transistor en funcionar recibió el nombre de “transistor bipolar”, y es un desarrollo de la época de la Segunda Guerra Mundial. A partir de su aparición en los ‘60, el MOS fue ganando territorio de uso, básicamente porque tiene muchas ventajas. Hasta que en los años ochenta ya abarcaba la mitad del mercado de la electrónica. “Algo muy satisfactorio fue que cuando publicamos una técnica de uso de estos dispositivos se comunicó con nosotros un inglés llamado Andrew Holmes-Siedle, quien patentó la idea de aplicar estos dispositivos para medir radiación, allá por los setenta. Hoy ya es un hombre mayor. Debe tener ochenta y tantos años. Él fabricó durante mucho tiempo dispositivos para medir la radiación, y se los vendía a la Agencia Espacial Europea como sensor de radiación en el espacio, cosa que nosotros también hacemos ahora en los satélites argentinos. Cuando Holmes se comunicó con nosotros nos dijo: ‘siempre pensé que eso que ustedes hicieron se podía hacer, pero no me salía’. Después, terminamos publicando dos artículos en colaboración con él”


BREVES

01 La FIUBA relanza su

propuesta

académica

Por unanimidad, el Consejo Directivo aprobó en octubre de 2018 la implementación del denominado “Plan 2020”, que propone actualizar la oferta académica, tanto de grado como de posgrado. “De esta forma, la FIUBA toma una iniciativa no sólo para actualizarse frente a los nuevos desafíos que los ingenieros deben y deberán enfrentar en el futuro próximo, sino para generar todos aquellos proyectos que nos permitan mejorar el uso de nuestros recursos con el fin de estar a la vanguardia de la enseñanza, mejorando y multiplicando nuestra oferta académica”, señaló el decano Ing. Alejandro M. Martínez.

En mayo de 2019 la FIUBA será sede de la primera edición de la Jornada Interdisciplinaria de Aplicaciones de Fenómenos de Superficie. “Medio Ambiente”, “Industria y Tecnología”, “Medicina”, “Educación” y ”Extensión” serán los ejes temáticos del encuentro, que incluirá conferencias plenarias, comunicaciones orales y sesiones de pósteres. ¿La fecha límite para la presentación de resúmenes? 15 de febrero de 2019. Consultas e inscripción en laquisihe@fi.uba.ar

03

JIAFES 2019

02

Ingenieros por un día

Organizada por la UNESCO, la III Conferencia Regional de Educación Superior se celebrará del 11 al 15 de junio de 2018 en la ciudad argentina de Córdoba. La primera edición se realizó en La Habana, Cuba en 1996 y la II Conferencia Regional en Cartagena Indias, Colombia, 2008. Website del encuentro en: Desde agosto de 2015, la FIUBA cuenta con el programade “Ingenieros por un día”,en que en sus cuatro ediciones logró que http://www.cres2018.org más de 300 estudiantes de enseñanza media ya puedan contar con una primera experiencia como egresados de esta profesión. La consigna principal de esta acción institucional –que cuenta con el apoyo de la Fundación YPF– es que los asistentes simulen ser ingenieros profesionales convocados para resolver una problemática ingenieril, realizando actividades tales como la búsqueda y análisis de causas y alternativas de solución, la toma de decisiones y el avance sobre el diseño de pre proyectos. Para conocer más del programa, ingresar en www.ingenieria.uba.ar.

04 Políticas abiertas hacia la comunidad

En el marco del derecho de acceso a la información pública, considerando la necesidad de transparentar los actos de gobierno; los recursos existentes, su uso y las reglamentaciones vigentes; y la necesidad de facilitar el control de la comunidad, el Consejo Directivo de la FIUBA resolvió aprobar el proyecto de Transparencia Institucional. La resolución y su anexo pueden buscarse con el número 779/18 en el website institucional.


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ZOOM

Escala 1:1 del chip

(3,16 mm x 3,16 mm)

Foto: C. Pollak y A. Attorresi.


Circuito integrado CMOS Laboratorio de Física de Dispositivos - Microelectrónica

sensores de radiación

Dispositivos MOS diseñados específicamente para optimizar su sensibilidad a radiación.

amplificadores Circuitos analógicos que permiten amplificar la señal de interés.

circuito digital

Permite configurar las funciones del chip. Es un conjunto de compuertas lógicas diseñadas con transistores de dimensiones mínimas.

pads de metal

Para realizar conexiones eléctricas al exterior. Usualmente se utiliza hilo de oro para conectar con el encapsulado del chip. Medida: 100 µm de lado cada uno.

Diseño del chip: M. García Inza, S. Carbonetto, G. Salaya, I. Martínez y A. Faigón.

El chip de la foto, diseñado en FIUBA, contiene circuitos y estructuras para detectar radiación ionizante y fue fabricado en una tecnología de 600 nm. El desarrollo de tecnología CMOS hacia fines de la década del 60 representa un hito en la industria electrónica. La clave de este desarrollo es el transistor MOS (metal óxido semiconductor) que permitió obtener circuitos más rápidos y de menor consumo de energía. La evolución de esta tecnología posibilitó incrementar el nivel de integración, es decir, la cantidad de transistores por chip, gracias a lo cual hoy se disponen de computadoras, sistemas de comunicaciones digitales y diversos tipos de dispositivos portátiles.


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DOSSIER

Modelado numérico del secuestro geológico de dióxido de carbono Gabriela B. Savioli y Juan E. Santos Gabriela Savioli: Laboratorio de Ingeniería de Reservorios, Instituto del Gas y del Petróleo, Departamento de Energía y Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería, UBA. Juan Santos: Laboratorio de Geofísica Numérica, Instituto del Gas y del Petróleo, Departamento de Energía de la Facultad de Ingeniería, UBA y Department of Mathematics, Purdue University. Resumen Una alternativa para mitigar el efecto invernadero es la captura y el secuestro geológico de dióxido de carbono (CO2 ). Este procedimiento consiste en la separación del CO2 emitido en la industria y su posterior almacenamiento bajo tierra, manteniéndolo alejado de la atmósfera. Los acuíferos salinos son formaciones geológicas especialmente adecuadas para este fin, debido a su gran volumen y a su amplia disponibilidad en la naturaleza. Hasta el momento, poco se sabe de la efectividad del secuestro de CO2 durante períodos prolongados de tiempo. Justamente, mediante el monitoreo sísmico es posible analizar la integridad del almacenamiento, advertir en forma temprana la posibilidad de que ocurra alguna fuga y monitorear la migración y dispersión de la pluma de CO2. El objetivo de este trabajo es presentar una metodología que modele numéricamente el secuestro del CO2 integrando un simulador de flujo bifásico CO2 - agua salada y un simulador de propagación de ondas para monitoreo sísmico. En los ejemplos analizados se utilizan datos del acuífero Utsira del campo de gas Sleipner en Noruega. Las imágenes sísmicas obtenidas mediante simulación numérica logran reproducir los datos medidos en campo, en particular muestran el retraso y la atenuación de las ondas provocados por la acumulación de CO2, efecto conocido como pushdown.

La metodología propuesta permitirá realizar predicciones del comportamiento del CO2 almacenado, ayudando a determinar si el secuestro geológico de CO2 es una tecnología segura y fiable a largo plazo. Introducción Durante el secuestro geológico, el CO2 se inyecta generalmente a profundidades mayores a 1000 m donde la presión y la temperatura están por encima de su punto crítico (31.6 ºC, 7.38 MPa). Los acuíferos salinos profundos, formaciones subterráneas (típicamente areniscas) que contienen agua salada, ofrecen un enorme potencial para el almacenamiento ya que están presentes en la mayoría de las regiones, con lo que se encontrarían cercanos a grandes fuentes de CO2 y, en general, son de gran tamaño, por lo cual tienen gran capacidad de almacenamiento. El primer proyecto a escala industrial de inyección de CO2, diseñado específicamente como medida de mitigación del efecto invernadero, es el proyecto noruego Sleipner, en el Mar del Norte. Sleipner es un yacimiento de gas operado por la empresa Statoil junto con otros socios. El CO2 se separa del gas natural producido y luego se inyecta en la formación Utsira, un acuífero salino de aproximadamente 26 km2 de área. La inyeccón comenzó en 1996 y se planea continuarla por aproximadamente otros veinte años, con un vo-


lumen de inyección de alrededor de un millón de toneladas por año (Arts et al. 2008; Chadwick et al. 2005). Este proyecto estaría demostrando que el CO2 puede ser almacenado en grandes cantidades de forma efectiva. Los únicos datos de campo disponibles son secciones sísmicas cuyo objetivo es monitorear la migración y dispersión de CO2. En este trabajo se integran simuladores numéricos del flujo bifásico CO2 - agua salada y de propagación de ondas sísmicas para modelar y monitorear el comportamiento del CO2 almacenado. También se describe un modelo petrofísico de la formación que se basa en datos de porosidad y contenido de arcillas y que tiene en cuenta las variaciones de las propiedades con las presiones y saturaciones (Carcione et al. 2003). Contempla la presencia de capas de muy baja permeabilidad, que dificultan el ascenso vertical del CO2. Para el flujo bifásico CO2 - agua salada se utiliza un modelo Black-Oil (Aziz y Settari, 1985), donde los coeficientes dependientes de la presión, el volumen y la temperatura se incorporan mediante propiedades termodinámicas simplificadas, los parámetros PVT (Hassanzadeh et al. 2008). Los mapas de saturaciones y presiones calculados por el modelo de flujo se aplican en el simulador de propagación de ondas para obtener los sismogramas sintéticos. El simulador contempla los efectos de atenuación y dispersión producidos por heterogeneidades a escala mesoscópica (Santos y Gauzellino, 2017). Esta pérdida mesoscópica es causada por heterogeneidades en las propiedades de las fases fluido o sólido mayores que el tamaño poral pero mucho menores que la longitud de onda predominante (Muller et al. 2010; Pride et al. 2004). Los ejemplos numéricos utilizan datos correspondientes al almacenamiento de CO2 en la formación Utsira. Se aplica esta metodología, determinándose los parámetros de flujo y petrofísicos que permiten ajustar con éxito los sismogramas sintéticos a los datos reales medidos en campo. En particular, se obtienen las acumulaciones de CO2 debajo de los sellos de baja permeabilidad, observándose el típico efecto pushdown que presentan los sismogramas medidos en campo (Chadwick et al. 2005).

Modelo de flujo Modelo Black-Oil para flujo bifásico en un medio poroso El flujo simultáneo de agua salada y CO2 se modela a partir de la conocida formulación BlackOil utilizada en simulación de reservorios de petróleo (Aziz y Settari, 1985). En este caso, se aplica a dos fases y dos componentes, permitiendo que el componente CO2 se disuelva en la fase acuosa (subíndice w) pero no que el agua salada se vaporice en la fase CO2 (subíndice g). El sistema de ecuaciones diferenciales para resolver se obtiene combinando la ecuación de conservación de masa para cada componente con la ecuación empírica de movimiento de Darcy para cada fase. Las ecuaciones de conservación de masa son: (01)

donde es la densidad, la velocidad Darcy (caudal volumétrico por unidad de área transversal al flujo), la saturación, el caudal másico por unidad de volumen total y la porosidad. y son las fracciones másicas de CO2 y agua salada en la fase acuosa, respectivamente. En la formulación Black-Oil, se calculan:

aplicando un modelo termodinámico simplificado, los parámetros PVT: solubilidad del CO2 en agua salada, , y factores de volumen de ambas fases, y (Aziz y Settari, 1985). Además y son las densidades del CO2 y del agua salada en condiciones estándar (15º C y 1 atmósfera de presión). Los parámetros PVT se determinan usando las correlaciones presentadas por Hassanzadeh et al (2008). Las ecuaciones de Darcy son: (02)


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donde es el tensor de permeabilidad absoluta, son las curvas de permeabilidades relativas (funciones de la saturación de fase), son las viscosidades, las presiones, la aceleración de la gravedad y la profundidad. Reemplazando las ecuaciones (2) en (1), usando las definiciones de y y dividiendo por y , se obtienen las siguientes ecuaciones diferenciales: (03)

(05)

donde es el módulo bulk de los granos sólidos, la porosidad crítica y la porosidad a la presión hidrostática. Utilizamos la notación para enfatizar la dependencia de la porosidad con el tiempo a través de la presión. El tensor de permeabilidades se considera diagonal, y sólo se distinguen dos permeabilidades, la horizontal y la vertical . Usando la porosidad y el contenido de arcillas , la permeabilidad horizontal se define como: (06)

El sistema de ecuaciones se completa con dos ecuaciones algebraicas:

donde , son los radios promedio de las partículas de arena y arcilla, respectivamente. Por su parte, la permeabilidad vertical se define a partir de la permeabilidad horizontal mediante (Carcione et al. 2003): (07)

(04)

donde es la presión capilar, que depende de la saturación de fase. Las incógnitas del modelo Black Oil son las presiones , , y las saturaciones de fase , . Se aplicó un software de dominio público, BOAST (Fanchi, 1997), que resuelve el sistema de ecuaciones (3)–(4) con una técnica en diferencias finitas llamada IMPES (Implícita en Presión y Explícita en Saturación). Se imponen presiones y saturaciones conocidas como condiciones iniciales y flujo nulo en los bordes como condiciones de contorno. IMPES linealiza las ecuaciones evaluando los coeficientes dependientes de las presiones ( , , , y ) y los coeficientes dependientes de las saturaciones ( , y ) en los valores correspondientes al tiempo anterior. Modelo petrofísico de la formación Utsira Para el cálculo de la porosidad y el tensor de permeabilidad absoluta que alimentan el simulador de flujo, se aplica un modelo que tiene en cuenta el cambio de las propiedades con la presión. Así, la relación entre la porosidad y la presión poral es (Carcione et al. 2003):

donde es un factor de anisotropía de la permeabilidad. A partir de la ecuación (7), se puede ver que si la saturación de agua se reduce (lo que ocurre durante la inyección de CO2), la permeabilidad vertical aumenta e incluso supera a la horizontal. Luego, se llega a una saturación límite a partir de la cual la permeabilidad vertical comienza a decrecer. Modelo sísmico Efectos de atenuación mesoscópica Un mecanismo importante de dispersión y atenuación de las ondas compresionales P en medios porosos saturados por un fluido se conoce como pérdida mesoscópica. Este mecanismo es causado por heterogeneidades en el sólido y en el fluido que son mayores que la medida poral pero mucho menores que la longitud de onda predominante. White et al. (1975) fueron los primeros en introducir este mecanismo en el marco de la teoría de Biot. La figura 1 ilustra este comportamiento considerando la heterogeneidad en el fluido. En dicha figura se comparan las trazas obtenidas en un medio saturado sólo con agua, sólo con gas, con agua y gas simultáneamente. Se puede observar que cuando están presentes ambas fases (gas y agua) se produce un retraso y una atenuación de la onda. Estos retrasos son predichos por el modelo de White.


Fig. 1 Ondas que atraviesan un medio poroso saturado con gas (curva azul), con agua (curva roja) y con gas y agua simultáneamente (curva negra).

Como la escala de las heterogeneidades mesoscópicas es de mm o cm, para representar este tipo de medios con las ecuaciones de Biot se necesitaría una grilla numérica formada por bloques de tamaño muy pequeño, que resultaría extremadamente costosa computacionalmente. Para poder solucionar este problema, se hace un upscaling definiendo módulos bulk, E( ), y de corte, µ( ), complejos y dependientes de la frecuencia. Con estos módulos se obtiene un modelo viscoelástico equivalente en la macroescala, que tiene en cuenta los efectos de atenuación y dispersión. Modelo viscoelástico La ecuación de movimiento en el dominio las dimensiones espacio - frecuencia es,

en

(08) (09)

donde es la frecuencia angular, la transformada de Fourier del vector de desplazamiento y la fuente externa. es el tensor de esfuerzos y es la densidad bulk, que combina las densidades del sólido y del fluido como: (10)

Notemos que este modelo viscoelástico contempla un único fluido. Por lo tanto, se define un fluido equivalente usando las saturaciones de fase del agua salada y de CO2 como La ecuación (9) es una condición de contorno absorbente de 1er orden (Ha et al. 2002), donde

con el vector normal exterior al y , , las velocidades de fase compresionales y de corte, que se definen en el próximo ítem. Relaciones constitutivas La relación entre el tensor de esfuerzos el de deformaciones está dada por,

y

(11)

donde es la delta de Kroenecker y , son los coeficientes de Lamé. Estos coeficientes se van a definir como complejos y dependientes de la frecuencia para introducir los efectos de atenuación y dispersión. En las zonas donde sólo hay agua salada se usa el modelo de Zener (Carcione, 2014). Cuando ambas fases están presentes se aplica la teoría de White (White et al. 1975) con el modelo simple de capas alternadas de CO2 y agua salada a nivel mesoscópico. Así se define un módulo de onda compresional, , complejo y dependiente de la frecuencia, que cumple: (12)

Para hacer complejo el módulo de corte se usa otro mecanismo de relajación similar al modelo de White (Picotti et al. 2012). Los modelos de Zener y de White necesitan como datos la densidad y los módulos bulk y de corte de los granos sólidos, , de la matriz seca


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y los módulos bulk de los fluidos. A partir de la porosidad y usando el modelo presentado por Krief et al. (1990) se genera el módulo bulk de la matriz seca : (13)

Suponiendo un medio de Poisson, el módulo de corte de los granos sólidos es 3 /5 y, en consecuencia, el módulo de corte de la matriz seca resulta: (14)

A partir de los módulos bulk se calculan las compresibilidades. El módulo bulk, la densidad y la viscosidad del CO2 se calculan en función de la temperatura y la presión poral aplicando el modelo de Peng-Robinson (1976). Por su parte, las velocidades de fase y los factores de calidad se definen para sólidos viscoelásticos isótropos como: (15)

donde , son las velocidades compresionales y de corte, respectivamente, definidas como: (16)

En la figura 2 podemos observar cómo la velocidad de la onda P y la inversa del factor de calidad 1/ QP disminuyen a medida que aumenta el contenido de CO2 en la mezcla. Fig. 2 Velocidad de fase de onda e inversa del factor de calidad en función de la saturación de CO2 .


Solución numérica del modelo viscoelástico

Fig. 3 Distribución inicial de porosidad.

La solución del modelo viscoelástico se obtiene para un número finito de frecuencias en el rango de interés usando un procedimiento de descomposición de dominio iterativo de elementos finitos (Ha et al. 2002). La solución en el dominio del tiempo se obtiene usando una transformada de Fourier discreta inversa. Para aproximar cada componente del vector de desplazamiento, se usa un espacio de elementos finitos no conforme NCh definido sobre una partición del dominio en rectángulos de diámetro acotado por h (Santos y Gauzellino, 2017). El uso del espacio NCh genera menor dispersión numérica que los elementos bilineales estándar (Zyserman et al. 2003). El error en el procedimiento de elementos finitos es del orden . Ejemplo de aplicación Datos Consideramos un modelo de la formación Utsira donde hay barreras de baja permeabilidad que afectan el movimiento vertical del CO2, pero no están completamente selladas. Además dichas barreras presentan aberturas que permiten también el ascenso del CO2. La porosidad inicial es fractal (Frankel y Clayton, 1986) y el contenido de arcilla C es constante. Este modelo sintético, que puede verse en la figura 3, se construyó tratando de reproducir los sismogramas originales de la formación Utsira, previos a la inyección de CO2 (Savioli et al. 2017). El CO2 se inyecta a un caudal constante de un millón de toneladas por año. El punto de inyección está ubicado en x = 600 m, z = 1082 m.

Fig. 4 Mapa de saturación de CO2 después de tres meses de inyección.

Fig. 5 Mapa de saturación de CO2 después de seis meses de inyección.

La grilla de simulación tiene 300 celdas en la dirección x, 5 celdas en la dirección y, 400 celdas en la dirección z. Las propiedades son uniformes en la dirección y, el punto de inyección está ubicado en el tercer bloque. Debido a la constante inyección de CO2 y al consecuente aumento de la presión poral, las propiedades petrofísicas de la formación varían con el tiempo (ecuaciones (5)-(7)). Así se deben ir actualizando los datos de entrada del simulador de flujo. Sin embargo, esta variación es mucho más lenta que la de las presiones y saturaciones que calcula el simulador. Por lo tanto se deben utilizar dos escalas de tiempo, una para correr el simulador ( 0.125 días) y otra mayor para actualizar las propiedades ( 30 días).

Fig. 6 Mapa de saturación de CO2 después de un año de inyección.


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Resultados numéricos 1. Modelo de flujo: inyección de CO2

Fig. 7 Mapa de saturación de CO2 después de dos años de inyección.

Fig. 8 Sismograma sintético obtenido antes de comenzar la inyección de CO2 .

Fig. 9 Sismograma sintético obtenido después de un año de inyección de CO2 .

Fig. 10 Sismograma sintético obtenido después de dos años de inyección de CO2 .

En la figuras 4, 5, 6 y 7 podemos observar los mapas 2D de saturación de CO2 (correspondientes al bloque 3 en la dirección y donde está ubicado el punto de inyección) al cabo de tres meses, seis meses, un año y dos años de comenzada la inyección. Las figuras muestran que el CO2 asciende a medida que avanza la inyección y se va acumulando debajo de las barreras de baja permeabilidad. En los primeros tiempos asciende principalmente por las aberturas en las barreras, formando chimeneas (figuras 4 y 5). Pero al aumentar la saturación de CO2, también aumenta la permeabilidad vertical, que se actualiza de acuerdo a la ecuación (7), y el CO2 asciende más rápidamente. Así, comienza a ocupar también los espacios intermedios y las chimeneas se vuelven menos definidas (figuras 6 y 7). 2. Monitoreo sísmico Para analizar la capacidad del monitoreo sísmico de identificar zonas de acumulación de CO2, se coloca una fuente lineal en el tope con frecuencia central de 60 Hz. Una línea de receptores se coloca a la misma profundidad para registrar los desplazamientos verticales. El modelo viscoelástico se resuelve para 200 frecuencias. Para expresar la solución en el tiempo se aplica una transformada inversa de Fourier. Notar que este modelo asume flujo monofásico, por lo que la densidad, viscosidad y módulo bulk efectivos del fluido equivalente se obtienen utilizando las propiedades del CO2 y agua pesadas con las correspondientes saturaciones calculadas por el simulador BOAST. La figura 8 nos muestra el sismograma sintético obtenido antes de comenzar la inyección de CO2. En esta figura sólo se pueden observar las reflexiones causadas por las barreras de baja permeabilidad (ver figura 3). En las figuras 9 y 10 se grafican los sismogramas sintéticos obtenidos después de un año y dos años de inyección de CO2, respectivamente. En el sismograma calculado después de un año de inyección (figura 9), las ondas reflejadas evidencian la acumulación de CO2 debajo de las capas de baja permeabilidad más profundas (ver el mapa de saturación correspondiente en la figura 6). También se puede observar el retraso y la atenuación de las ondas reflejadas en el centro del sismograma. Esto se debe a que las ondas


reflejadas viajan en las zonas de acumulación de CO2 de baja saturación. El retraso y la atenuación de las ondas se hace mucho más pronunciado en el sismograma obtenido después de dos años de inyección (figura 10). Si observamos el correspondiente mapa de saturación de la figura 7 hay acumulación de CO2 debajo de la mayoría de las barreras de permeabilidad y se han extendido las zonas intermedias de saturación de CO2.

Bibliografía [1] Arts, R.; Chadwick, A.; Eiken, O.; Thibeau, S. y Nooner, S. “Ten Years of Experience of Monitoring CO2 Injection in the Utsira Sand at Sleipner, Offshore Norway”. First break, n.º 26, pp. 65-72, 2008. [2] Aziz, K. y Settari, A. Petroleum Reservoir Simulation. Elsevier Applied Science Publishers, Gran Bretaña, 1985. [3] Carcione, J. M. Wave Fields in Real Media. Theory and Numerical Simulation of Wave Propagation in Anisotropic, Anelastic, Porous and Electromagnetic Media. Elsevier, tercera edición, revisada y extendida, 2014. [4] Carcione, J. M.; Helbig, K. y Helle, H. B. “Effects of Pressure and Saturating Fluid on Wave Velocity and Attenuation of Anisotropic Rocks”. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., vol. 40, pp. 389-403, 2003.

Este retraso de tiempo se observa en los sismogramas reales y se lo conoce como “efecto pushdown” (Chadwick et al. 2005).

[5] Chadwick, A.; Arts, R. y Eiken, O. “4D Seismic Quantication of a Growing CO2 Plume at Sleipner, North Sea” en Dore, A. G. y Vincent, B. (eds.). Petroleum Geology: North West Europe and Global Perspectives - Proceedings 6th Petroleum Geology Conference, pp. 1385-1399, 2005.

Conclusiones

[6] Fanchi, J. R. Principles of Applied Reservoir Simulation. Gulf Professional Publishing Company, Houston, Texas, 1997.

Se presenta una metodología que integra un simulador de flujo y un simulador de propagación de ondas sísmicas para modelar y monitorear el almacenamiento de dióxido de carbono en acuíferos salinos. El simulador sísmico contempla los efectos de atenuación y dispersión a escala mesoscópica provocados por la presencia del CO2 y por las heterogeneidades de la formación. Además se aplica un modelo petrofísico que contempla la actualización de las propiedades con los cambios de presión poral y saturación. El ejemplo numérico analizado muestra la capacidad del simulador de flujo de modelar la distribución espacio temporal de la saturación de CO2 a medida que avanza la inyección. Además es posible detectar dicha distribución mediante el análisis de propagación de ondas sísmicas. Los sismogramas sintéticos obtenidos presentan el típico efecto pushdown que se observa en los sismogramas experimentales de la formación Utsira. Así, la aplicación integrada de simuladores de flujo y de propagación de ondas sísmicas constituye una herramienta muy útil para analizar la integridad del almacenamiento de CO2 a largo plazo, advertir en forma temprana la posibilidad de que ocurra alguna fuga y monitorear la migración y dispersión de la pluma de CO2. Agradecimientos Este trabajo fue parcialmente financiado por la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (PICT 2015 1909) y la Universidad de Buenos Aires (UBACyT 20020160100088BA).

[7] Frankel, A. y Clayton, R. W. “Finite Difference Simulation of Seismic Wave Scattering: Implications for the Propagation of Short Period Seismic Waves in the Crust and Models of Crustal Heterogeneity”. J. Geophys. Res., vol. 91, pp. 6465-6489, 1986. [8] Ha, T.; Santos, J. E. y Sheen, D.: “Nonconforming Finite Element Methods for the Simulation of Waves in Viscoelastic Solids”. Comput. Meth. Appl. Mech. Engrg., vol. 191, pp. 5647-5670, 2002. [9] Hassanzadeh, H.; Pooladi-Darvish, M.; Elsharkawy, A.; Keith, D. y Leonenko, Y. “Predicting PVT Data for CO2-Brine Mixtures for Black-Oil Simulation of CO2 Geological Storage”. International Journal of Greenhouse Gas Control, n.º 2, pp. 65-77, 2008. [10] Krief, M.; Garat, J.;, Stellingwer, J. y Ventre, J. “A Petrophysical Interpretation Using the Velocities of P and S Waves (Full Waveform Sonic)”. The Log Analyst, vol. 31, pp. 355-369, 1990. [11] Müller, T.; Gurevich, B. y Lebedev, M. “Seismic Wave Attenuation and Dispersion Resulting from Wave-Induced Flow in Porous Rocks - A Review”. Geophysics, vol. 75, pp. A147-A164, 2010. [12] Peng, D. Y. y Robinson, K. I. “A New Two-Constant Equation of State”. Ind. Eng. Chem. Fundam., vol. 15, n.º 1, pp. 59-64, 1976. [13] Picotti, S.; Carcione, J. M.; Gei, D.; Rossi, G. y Santos, J. E. “Seismic Modeling to Monitor CO2 Geological Storage: The Atzbach-Schwanenstadt Gas Field”. Journal of Geophysical Research, vol. 117, B06103, pp. 1-18, 2012. [14] Pride, S.; Berryman, J. y Harris, J. “Seismic Attenuation Due to Wave-Induced Flow”. J. Geophys. Res., vol. 109, B01201, 2004. doi: 10.1029/2003JB002639 [15] Santos, J. E. y Gauzellino P. M. Numerical Simulation in Applied Geophysics. Birkhäuser, Lecture Notes in Geosystems Mathematics and Computing, 2017. doi:10.1007/978-3-319-48457-0 [16] Savioli, G.; Santos, J.; Carcione, J. y Gei, D. “A Model for CO2 Storage and Seismic Monitoring Combining Multiphase Fluid Flow and Wave Propagation Simulators. The Sleipner-Field Case”. Computational Geosciences, vol. 21, n.º 2, pp. 223-239, 2017. [17] White, J. E.; Mikhaylova, N. G. y Lyakhovitskiy, F. M. “Low-Frequency Seismic Waves in Fluid Saturated Layered Rocks”. Izvestija Academy of Sciences USSR, Physics of Solid Earth, vol. 10, pp. 654-659, 1975. [18] Zyserman, F. I.; Gauzellino, P. M. y Santos, J. E. “Dispersion Analysis of a Non-Conforming Finite Element Method for the Helmholtz and Elastodynamic Equations”. Int. J. Numer. Meth. Engng., vol. 58, pp. 1381-1395, 2003.


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NUESTROS GRADUADOS

Los cimientos detrรกs del

ingenio


Entrevista al Ing. Tomás del Carril, profesional de la FIUBA, un experto en trabajos estructurales sobre puentes y obras de valor patrimonial.

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ara Tomás del Carril, más que una profesión, la ingeniería es algo que se lleva en la sangre. Cuando era chico, su padre Salvador –también ingeniero civil y presidente y fundador del INTI– solía llevarlo de paseo por las grandes obras de la ciudad de Buenos Aires. Recorrían el puerto, Aeroparque, las estaciones de Retiro y Constitución. Cada visita era también una clase. Su padre aprovechaba para explicarle cómo funcionaba la carga de las grúas, los elevadores de granos, las escolleras. Y al pequeño Tomás eso le encantaba. Nacido en 1945, del Carril vivió el curso de ingreso a la Facultad de Ingeniería de la UBA como una liberación. En el secundario no tenía buenas calificaciones. Padecía las materias humanísticas, y siempre se las llevaba a diciembre o marzo. Su cabeza, evidentemente, estaba formateada para los números y las fórmulas. Ingresó a la FIUBA con 9,75 de promedio, y seis años después, se graduó como ingeniero civil. Hoy, a los 73 años, padre de tres mujeres y un varón, y abuelo de nueve nietos, continúa su desempeño profesional en el estudio de ingeniería que lidera con Javier Fazio. Desde ese ámbito, trabaja en proyectos de puentes, patología estructural y estructuras para obras de valor patrimonial, tal es el caso del mural del artista mexicano David Alfaro Siqueiros, una experiencia que, según del Carril, llegó a ocupar su cabeza a tiempo completo. “Fue un proyecto apasionante. Con el Ing. Jorge Fontán Balestra, mi socio, tuvimos que acudir a toda nuestra creatividad para desarrollar una ingeniería inédita sobre la cual no existían antecedentes ni reglamentaciones. Con una exigencia crítica desde el punto de vista estructural, como era retirar exclusivamente la bóveda de revoque pintado de 5 mm de espesor sin que sufriera daños, y sabiendo que era el sustento de una obra de arte única entre toda la iconografía de Siqueiros”, explica. La magnitud del trabajo se refleja en la variedad de elementos que intervinieron durante la obra. En primer lugar, se llevó adelante la demolición parcial y el apuntalamiento de la casa en cuyo subsuelo se encontraba el mural. A su vez, se construyó una cimbra de estructura metálica

que soportaba una estructura ajustable de madera, y se desbastó la pared sobre la cual estaba pintado el mural desde el exterior, hasta dejar sólo el revoque pintado soportado por la cimbra. Además, se debió colocar un bastidor de acero adherido al revoque (de 5 cm de espesor) y una estructura reticulada para reproducir la rigidez de la pared original. Por último, las acciones culminaron con el izaje y la manipulación de las seis partes en las que se dividió la obra para poder transportarla. Sin embargo, pese a los esfuerzos y los cálculos milimétricos, del Carril recuerda el desenlace del proyecto con algunas desprolijidades: “Que nosotros hayamos iniciado un proyecto y otros lo hayan terminado defectuosamente, sin darnos intervención, constituye un problema de ética profesional. Ya decía el gran ingeniero francés, inventor del hormigón pretensado, Eugène Freyssinet: ‘las cualidades del carácter –valor, honradez, amor y respeto hacia la tarea aceptada–, son infinitamente más necesarias al ingeniero que las de inteligencia’”


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ACTORES DE LA FIUBA

Parte de la historia Entrevista a Renato Leyton, integrante del plantel nodocente de la facultad en la sede de Av. Las Heras.

E

n su primer día de trabajo en la FIUBA, allá por 1989, Renato Leyton tuvo que preguntarle a un diariero dónde quedaba la sede de avenida Las Heras. El estilo gótico del edificio lo confundía. Pensaba que era una iglesia, y la buscaba sin suerte del otro lado de la avenida Pueyrredón. Casi treinta años después de aquella madrugada, la anécdota es toda una paradoja. Al igual que ese edificio, entonces gris, sin mucha pintura, Leyton se fue perfeccionando: trabajó como portero, electricista, encargado de Intendencia. Hasta que en 2010, a través del régimen de concursos, llegó a la jefatura de Servicios Generales en Las Heras, el edificio que hoy tanto conoce. “Cuando entré éramos pocos en Intendencia. Seríamos tres o cuatro, que ocupábamos los puestos de portería, playa y ascensorista. Yo tenía veintiún años, era el más chico. En ese momento se estaban modificando los departamentos, las aulas. Me acuerdo que el Departamento de Hidráulica estaba en el segundo piso y lo llevaron al tercero. Y acá no había electricista, porque estaba en Paseo Colón. Entonces yo trabajaba de seis a una en Intendencia y después la facultad me contrataba como electricista. Había mucho trabajo”, recuerda Leyton. Nacido en Lomas de Zamora, al sur del Gran Buenos Aires, y padre de dos mujeres y un varón, Leyton detalla las

tareas que se llevan adelante desde su área. “Si algo tiene Intendencia es que trabaja las veinticuatro horas. Nuestro trabajo es garantizar el correcto funcionamiento de las instalaciones y el mantenimiento del edificio. Y las funciones van desde portero, playero, personal de maestranza, encargado de turno mañana, de turno tarde y de fines de semana. Tengo treinta personas a cargo en esta sede y destaco de ellos el compañerismo, compromiso, actitud y la responsabilidad que tienen como sector para cubrir guardias, así haya algún feriado, paro o asueto administrativo”, explica. Con respecto a su visión sobre la FIUBA, este nodocente de cincuenta años distingue por qué es importante la facultad, más allá del afecto que le tiene. “Yo a la facultad la quiero bien arriba. A mí me encantaría escuchar que la UBA es la mejor de Latinoamérica, y de hecho lo escuchamos. Siempre me acuerdo de un amigo que estudió acá hace un montón y que ahora está en Chile. Se recibió de una Maestría en Transporte, hacía matrices para vagones de subterráneo. Y ya en ese momento me hablaba de que la universidad tenía que formar emprendedores sociales, que dentro de una facultad gratuita, estatal, el que se recibía tenía que devolverle algo a la sociedad. Y eso es por las políticas públicas que tenemos”, dice Leyton, orgulloso del lugar donde trabaja




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