Física

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Estudio de la formación de imágenes para un dioptrio esférico en los puntos de Young-Weierstrass considerando el carácter vectorial del campo electromagnético
(Universidad Industrial de Santander, 2025-11-22) Carrillo García, Marcos Marcelino; Torres Amaris, Rafael Ángel; Silva Lora, Alberto; Meneses Fonseca, Jaime Enrique; Guerrero B., Jader Enrique
La formación de imágenes es un fenómeno cotidiano en la visión; desde observar cuerpos celestes en el cielo nocturno hasta estudiar cómo están conformadas las células de distintos tejidos vivos, este fenómeno toma mucha relevancia a la hora de desarrollar diferentes sistemas ópticos que permitan avanzar en la investigación de distintas ramas de la ciencia. Por esto, es necesario conocer cómo se propaga la luz al atravesar un sistema óptico y poder determinar qué tan bien definida será la imagen. Para conocer cómo se propaga una onda, se utiliza la teoría escalar de la difracción; sin embargo, cuando el campo es vectorial o el sistema óptico tiene una apertura numérica grande, se da un tratamiento descrito en la teoría vectorial de la difracción ya que considera el caracter vectorial que se introduce en el cambio de medio y esto puede representar una mayor complejidad a la hora de solucionar la propagación de la onda. En el presente trabajo de investigación se estudia la propagación de una onda electromagnética desde la teoría escalar de la difracción en un dioptrio esférico sobre esferas de Young-Weierstrass, considerando la polarización de la onda transmitida después de atravesar el dioptrio.
Interpretación física de los parámetros equivalentes como solución a la ambigüedad en la caracterización de la birrefringencia
(Universidad Industrial de Santander, 2025-11-24) Cadena Durán, Camilo Andrés; Torres Amaris, Rafael Ángel; Pabón Niño, Jhon Stivenson; Torres Moreno, Yezid; Lora Clavijo, Fabio
La caracterización de medios birrefringentes presenta una ambigüedad debido a la descripción dual a través de parámetros intrínsecos o equivalentes, cuyas relaciones matemáticas no son biyectivas y pueden conducir a resultados equívocos. Este trabajo resuelve dicha ambigüedad proponiendo la Ley de los Birrefringentes Elípticos (LBE) como un criterio físico que, basado en la trayectoria observable de todos los posibles estados emergentes de polarización, permite identificar de manera unívoca el conjunto de parámetros equivalentes con significado físico. Asimismo, se desarrolla una nueva metodología experimental que, a partir de la medición de la transformación de solo dos estados de polarización incidentes, determina de forma simultánea e independiente ambos conjuntos de parámetros. La validez de este enfoque se ha confirmado experimentalmente en diversos medios, ofreciendo así una solución integral y físicamente fundamentada para la caracterización completa de la birrefringencia.
Estimación del grado complejo de coherencia a partir de la polarización
(Universidad Industrial de Santander, 2025-11-24) Blanco Puerto, Ángel; Torres Amaris, Rafael Ángel; Hernández Cely, Cristian Eduardo; Meneses Fonseca, Jaime Enrique; Solano, Angie Liseth
Este trabajo propone un método experimental para estimar la función de coherencia compleja en fuentes de luz parcialmente coherentes, basado en la polarización y despolarización controlada mediante un cristal líquido de retardo variable, lo que permite modular el grado de polarización y obtener una curva de despolarización relacionada directamente con la función de coherencia. Utilizando la transformada de Hilbert para estimar su fase y complementando las mediciones de su valor absoluto, el método se valida experimentalmente comparando los resultados con la función de densidad espectral de la fuente, bajo el marco teórico del teorema de Wiener-Khinchin.
Estudio de la formación de imágenes para un dioptrio esférico en los puntos de Young-Weierstrass considerando el carácter vectorial del campo electromagnético
(Universidad Industrial de Santander, 2025-11-25) Carrillo García, Marcos Marcelino; Torres Amaris, Rafael Ángel; Silva Lora, Alberto Luis; Meneses Fonseca, Jaime Enrique; Guerrero Bermúdez, Jáder Enrique
La formación de imágenes es un fenómeno cotidiano en la visión; desde observar cuerpos celestes en el cielo nocturno hasta estudiar cómo están conformadas las células de distintos tejidos vivos, este fenómeno toma mucha relevancia a la hora de desarrollar diferentes sistemas ópticos que permitan avanzar en la investigación de distintas ramas de la ciencia. Por esto, es necesario conocer cómo se propaga la luz al atravesar un sistema óptico y poder determinar qué tan bien definida será la imagen. Para conocer cómo se propaga una onda, se utiliza la teoría escalar de la difracción; sin embargo, cuando el campo es vectorial o el sistema óptico tiene una apertura numérica grande, se da un tratamiento descrito en la teoría vectorial de la difracción ya que considera el caracter vectorial que se introduce en el cambio de medio y esto puede representar una mayor complejidad a la hora de solucionar la propagación de la onda. En el presente trabajo de investigación se estudia la propagación de una onda electromagnética desde la teoría escalar de la difracción en un dioptrio esférico sobre esferas de Young-Weierstrass, considerando la polarización de la onda transmitida después de atravesar el dioptrio.
Estudio computacional de un Reactor de Deposición Química en fase de vapor asistido por microondas excitado en el modo axialmente simétrico TM013, para la deposición de Diamante
(Universidad Industrial de Santander, 2025-11-25) Beltrán Pérez, Diego Armando; Orozco Ospino, Eduardo Alberto; Barragán Jiménez, Yerson Fabián; Ospina Ospina, Rogelio; Tsygankov, Petr
El diamante posee diversas propiedades, tales como alta dureza, elevada resistencia al desgaste, alta conductividad térmica, transparencia en el rango infrarrojo, inercia química y excelentes características semiconductoras. Por estas razones, resulta de gran interés para la fabricación de materiales destinados a múltiples industrias. Los reactores para la deposición química en fase de vapor asistida por microondas (MWCVD) comúnmente utilizan cavidades resonantes para descomponer precursores como el metano y el hidrógeno molecular, suministrando cantidades suficientes de hidrógeno atómico y átomos de carbono, lo que permite la formación de estructuras de diamante monocristalinas (SCD) y policristalinas (PCD) de alta pureza y con elevadas tasas de crecimiento, en función de las exigencias industriales. En este trabajo se emplea la metodología propuesta por François Silva para diseñar y optimizar un reactor MWCVD operando en el modo TM013, utilizando el software COMSOL Multiphysics, que permite acoplar eficientemente los módulos de plasma, radiofrecuencia (RF) y transferencia de calor. Los resultados se presentan en dos etapas. En la primera, se analiza la distribución inicial del campo eléctrico en el modo TM013 en ausencia de plasma, lo cual permite identificar las zonas de activación. En la segunda etapa, se simula la generación de plasma de hidrógeno a partir de la interacción del gas H2 con el campo de microondas excitado en dicho modo. El proceso de activación del plasma se describe en detalle mediante gráficos que muestran la evolución temporal de la densidad electrónica, la densidad de hidrógeno y sus respectivas temperaturas hasta alcanzar el estado estacionario. Adicionalmente, se examina la influencia de la presión sobre la concentración y temperatura tanto de los electrones como del gas.
Simulación de un sistema generador de chorro de plasma en software multifísico, COMSOL Multiphysics® versión 5.6
(Universidad Industrial de Santander, 0024-11-25) Díaz Portilla, Juan Pablo; Orozco Ospino, Eduardo Alberto; Barragán Jiménez, Yerson Fabián; Gutiérrez Niño, Willian; López Durán, Jesús Eduardo
La implementación del plasma en diversas tecnologías ha demostrado tener potencial para el desarrollo de nuevas técnicas aplicadas en una gran variedad de sectores industriales. Un ejemplo es el chorro de plasma de arco eléctrico, ampliamente utilizado en el tratamiento de desechos mediante proceso de gasificación de residuos sólidos urbanos. Además, en la última década los avances sustanciales en el desarrollo de modelos de propulsores eléctricos y su generación han abierto una era tecnológica hacia la exploración espacial, debido a que exhiben niveles de eficiencia altos en comparación con sus homólogos químicos, dado que los propulsores eléctricos pueden generar mayor propulsión especifica. Los chorros de plasma se generan a partir de un arco eléctrico entre electrodos y a través de un gas base, dicho gas se expande al ser calentado mediante colisiones entre los electrones del arco y las partículas neutras del gas. El plasma es expulsado fuera de la antorcha, transfiriendo así energía y momento al medio externo. En este proyecto se presenta el modelo y simulación de una antorcha de plasma de arco eléctrico no transferido de corriente continua, con simetría axial y electrodos coaxiales en software multifísico. Se estudia el encendido de la antorcha y el estado estacionario del potencial eléctrico, la distribución de rapidez y temperatura. Se realiza el estudio con diferentes valores de la densidad de corriente, flujo másico de entrada y tres gases de trabajo. Los resultados muestran que el flujo másico y la densidad de corriente determinan la ubicación y magnitud de la zona de máxima temperatura y rapidez del fluido. Se observa que la dependencia de las propiedades del gas de trabajo influye en el perfil de temperatura y rapidez del fluido, siendo el argón el que presenta las mayores temperaturas y velocidades. El modelo es capaz de simular el encendido del plasma y su estado estacionario, lo que permite comprender mejor el comportamiento del chorro de plasma en diferentes condiciones operativas.
Análisis de los estados electrónicos y simetrías en puntos cuánticos de grafeno
(Universidad Industrial de Santander, 2025-11-20) Saavedra Santos, Daniel Steveen; Páez Gónzalez, Carlos José; Gutiérrez Niño, Willian; Rodríguez Vargas, Isaac; Miranda Mercado, David Alejandro
En este trabajo se estudia el efecto del confinamiento en puntos cuánticos de grafeno (GQDs) con distintos tipos de borde y geometrías, considerando el régimen de confinamiento fuerte, modelado mediante un pozo de potencial infinito que confina portadores relativistas de Dirac. Este enfoque permite describir con claridad la cuantización energética en el régimen de bajos niveles y analizar su dependencia con la geometría del confinamiento. Posteriormente, se examina la influencia de un campo magnético perpendicular, que induce la formación de niveles de Landau y reorganiza radicalmente la disposición de los estados confinados, en competencia con el confinamiento electrostático impuesto por el pozo. Asimismo, se explora la formación de moléculas artificiales mediante el acoplamiento lateral de dos GQDs, en donde el tunelamiento electrónico depende críticamente de la distancia interdot y de la simetría de los bordes. Los resultados muestran la aparición de estados enlazantes y antienlazantes cuya evolución puede clasificarse de forma esquemática a partir de consideraciones de simetría, en analogía con moléculas naturales. Se encuentra además que la aplicación de un campo magnético de baja intensidad permite sintonizar el acoplamiento entre pozos, ofreciendo un mecanismo de control sobre los estados moleculares artificiales. Las observaciones obtenidas, que destacan el papel único de la naturaleza relativista de los portadores en el grafeno, son consistentes con la literatura experimental existente y subrayan el potencial de los GQDs acoplados como sistemas modelo para explorar física molecular artificial y como plataformas ajustables en futuros dispositivos cuánticos basados en grafeno.
Fuentes ovoidales en la teoría gravitacional de Einstein
(Universidad Industrial de Santander, 2025-11-19) Guarín Rojas, Juan Andrés; Gutiérrez Piñeres, Antonio Calixto; Torres Amaris, Rafael Ángel; Martínez Lobo, Jhan Nicolás; Capistrano, Abraão Jesse
Los ovoides de Descartes son importantes en la construcción de sistemas ópticos libres de aberración esférica y con propiedades interesantes como aplanetismo y estigmatismo acromático. Los ovoides además pueden verse como una generalización natural de la esfera y del elipsoide prolato. Por esta razón, en este trabajo se plantea la pregunta: ¿pueden los ovoides de Descartes llegar a ser igual de importantes en relatividad general que en óptica? Para responder esta pregunta, en este trabajo se estudian fuentes con forma ovoidal. Primero se calculan las curvas ortogonales a una familia de óvalos confocales, a las que se denomina sinécdolas. Con las superficies de revolución de estas curvas, se construyen unas coordenadas ortogonales ovoidales. Estas coordenadas pueden usarse para construir un ansatz métrico estacionario y ovoidalmente simétrico a partir de un procedimiento inspirado en el trabajo de Krasiński. Con este ansatz se encuentran soluciones exactas a las ecuaciones de campo de Einstein de tipo fluido estático con presiones anisótropas. El resultado principal de este trabajo es precisamente la introducción de unas coordenadas ovoidales y de un ansatz métrico ovoidal, que sirven como marco de trabajo para el estudio de fuentes ovoidales en relatividad general.
Investigación teórica de los fonones quirales en un cristal quiral de Kagome 3D: Prototipo TaSi2
(Universidad Industrial de Santander, 2025-11-13) Barajas Ochoa, Ángela Sofía; Barajas Ochoa, Brayan Rodolfo; García Castro, Andrés Camilo; Miranda Mercado, David Alejandro; Quintero Orozco, Jorge Hernán
La quiralidad estructural en cristales, definida por la ausencia de simetrías impropias como la inversión o los planos especulares, puede manifestarse en la dinámica de la red a través de fonones quirales: modos vibracionales colectivos que portan un momento angular fonónico (PAM) intrínseco. Esta tesis presenta una investigación teórica y computacional exhaustiva de este fenómeno en el disiliciuro de tántalo (TaSi_2), un compuesto que cristaliza en una red Kagome 3D y que posee los grupos espaciales enantiomórficos P6_222 (SG 180) y P6_422 (SG 181), convirtiéndolo en un prototipo ideal. Mediante cálculos de primeros principios basados en la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) y el desarrollo de una extensión computacional para la librería Phonopy, se calculó el espectro fonónico completo y la distribución del PAM en la zona de Brillouin. Los resultados demuestran inequívocamente la existencia de fonones quirales en TaSi_2, y se identificó que el PAM es particularmente significativo a lo largo de la dirección del eje helicoidal c (trayectoria Γ → A), indicando una polarización predominantemente circular para los modos que se propagan en esta dirección. El hallazgo central de este trabajo es la demostración directa de la relación entre la quiralidad estructural y la dinámica fonónica. Al comparar las dos estructuras enantiomórficas, se observa que, si bien sus dispersiones de fonones son isoenergéticas, el signo del PAM se invierte sistemáticamente para bandas equivalentes. Un modo fonónico con PAM positivo en la estructura P6_222 presenta un PAM negativo de igual magnitud en la estructura P6_422. Estos resultados, confirmados mediante el análisis de los patrones de desplazamiento atómico, establecen que la “mano” (handedness) del cristal se transmite directamente a la rotación de los modos vibracionales. Con ello se validan predicciones teóricas, al tiempo que se abren nuevas perspectivas para la manipulación del transporte térmico y el acoplamiento espín–fonón en materiales quirales.
Evaluación teórico experimental de la influencia de la rugosidad en la medida de ángulo de contacto como característica fundamental de la fisicoquímica superficial
(Universidad Industrial de Santander, 2025-08-28) Celis Madrid, Sergio Armando; Gómez Rodriguez, Silvia Alejandra; Meneses Fonseca, Jaime Enrique; Hernández Pardo, Diego F; Guerrero B, Jáder enrique; Plata Gómez, Arturo
La mojabilidad es una capacidad física de un líquido para extenderse sobre una superficie sólida. Esta mojabilidad se determina a partir de la magnitud física conocida como ángulo de contacto. El cálculo de esta magnitud de mojabilidad de los líquidos es relevante para diversos campos industriales e investigativos como la ciencia de materiales o la nanotecnología. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es analizar la influencia de la rugosidad en la medida del ángulo de contacto para determinar el tipo de mojabilidad. De igual manera, se evalúa modelos matemáticos existentes, se diseña un sistema óptico y las probetas a condiciones de laboratorio, se mide el ángulo de contacto para el sistema agua-aluminio-vapor y se confrontan los valores experimentales obtenidos del montaje con el valor teórico del modelo de Kubiak. Metodológicamente, se realizan trabajos experimentales, en los que se diseña y se construye un sistema óptico y se realizan pruebas con diferentes superficies rugosas de aluminio. Se obtuvo como resultado que la rugosidad influye en la medida del ángulo de contacto.
Estudio teórico de los magnones en sistemas antiferromagnéticos
(Universidad Industrial de Santander, 2025-07-28) Garavito Barragán, José David; García Castro, Andrés Camilo; Gutierrez Paredes, Harold; Beltrán Ríos, Carlos Leonardo
La familia de monocapas de W$X_3$ ($X$ = Cl, Br y I) representa un sistema de interés dentro de los materiales bidimensionales debido a sus características únicas. Además de ser materiales con un ordenamiento magnético de largo alcance, presentan un carácter altamente correlacionado y son candidatas para futuras aplicaciones en espintrónica. Adicionalmente, estos materiales presentan diferentes fases estructurales bajo distintas condiciones de correlación electrónica. Sin embargo, existen interrogantes respecto a la dinámica electrónica y magnética en el caso de la fase $C2/m$. Por tanto, el presente estudio se enfoca en el analisis del ordenamiento antiferromagnético de este grupo espacial en el marco del formalismo DFT$+U$, con énfasis en la dinámica electrónica, estructural y magnética, calculando observables como la densidad de estados, la estructura de bandas y las constantes de intercambio. Los observables calculados reflejan un comportamiento aislante y altamente localizado en energías cercanas al nivel de Fermi, además de la posibilidad de inestabilidades estructurales causadas por cambios en la densidad de carga del sistema.
Efecto de Presiones Periódicas sobre la Dispersión Dinámica de la Luz
(Universidad Industrial de Santander, 2025-08-22) Carvajal Guerrero, María Fernanda; Miranda Mercado, David Alejandro; Rojas Bohórquez, Leidy Johana; Pertuz Arroyo, Said David; Ospina Ospina, Rogelio
En este trabajo se desarrolló una metodología experimental para analizar el efecto de una presión periódica sobre un fluido estudiado mediante dispersión dinámica de luz en sistemas biológicos, enfocándose en la sangre que circula a través de la arteria radial. Para ello, se diseñó y construyó el dispositivo FEDSita, optimizado para registrar señales de luz retrodispersada con resolución suficiente para análisis morfológicos y estadísticos. Se implementaron filtros analógicos y digitales, permitiendo segmentar la señal en pulsos cardíacos individuales y calcular la desviación estándar local asociada a los momentos de presión sistólica y diastólica, parámetro que se correlacionó con mediciones de presión arterial obtenidas en voluntarios. La señal fue modelada como un proceso browniano, bajo la hipótesis de viscosidad constante en ventanas temporales cortas. Este enfoque permitió aplicar pruebas de normalidad y ajustes gaussianos, facilitando la extracción de parámetros representativos de la dinámica de dispersión en función del ciclo cardíaco. Los resultados mostraron que la desviación estándar de la señal aumenta con la presión arterial, en concordancia con las predicciones teóricas. Además, se exploró la viabilidad de calcular índices clásicos de variabilidad cardíaca (como el coeficiente de variación, RMSSD y pNN50) a partir de las funciones de autocorrelación de las señales ópticas, observando coherencia con el comportamiento fisiológico esperado y abriendo perspectivas para aplicaciones clínicas y de monitoreo continuo. No obstante, se identificaron limitaciones inherentes al modelo utilizado, especialmente por asumir viscosidad constante y radios hidrodinámicos invariables, lo cual no refleja completamente la naturaleza compleja y no newtoniana de la sangre. Se proponen futuras investigaciones orientadas a integrar modelos más generales, como el de Caldeira–Leggett para potenciales periódicos, que permitan describir la dinámica del fluido con mayor realismo y parámetros experimentalmente observables. Asimismo, se destaca la necesidad de optimizar el montaje experimental y aumentar la muestra de estudio para avanzar hacia aplicaciones diagnósticas no invasivas y de bajo costo.
Sistemas Binarios de Estrellas de Neutrones como Super-Emisores de Ondas Gravitacionales
(Universidad Industrial de Santander, 2025-07-05) Figueroa Hernández, Juan Diego; Rodríguez Ruiz, José Fernando; Becerra Bayona, Laura Marcela; Núñez de Villavicencio Martínez, Luis Alberto; González Villegas, Guillermo Alfonso; Becerra Vergara, Eduar Antonio
En el presente trabajo se calcula la eficiencia de emisión de ondas gravitacionales durante el proceso de fusión de objetos compactos, con especial enfoque en sistemas binarios de estrellas de neutrones. El objetivo es determinar la detectabilidad del objeto postfusión y comprender por qué en el evento GW170817 se detectó una energía tan baja en los canales de emisión electromagnética (del orden de 10^{46} erg), a pesar de que el defecto de masa del sistema binario es considerablemente mayor (aproximadamente 2.5 x 10^{53} erg). Se estudian y extienden modelos aproximados ya propuestos en la literatura, como el modelo simplificado para la fusión cuasi-circular de objetos compactos y el modelo de leyes de conservación. Estos modelos dividen la fusión en cuatro fases principales: i) régimen espiral adiabático, ii) caída y fusión, iii) amortiguamiento o "ringdown", y objeto final: agujero negro de Kerr o estrella de neutrones con rotación rápida. Para el análisis y la correspondencia entre el sistema inicial y final se utilizan, además de la fórmula Newtoniana de radiación cuadrupolar, leyes de conservación como la conservación de la energía, el momento angular y la materia bariónica, así como relaciones cuasi-universales que describen a la estrella de neutrones axialmente simétrica final que no emite radiación gravitacional. Se estudia el impacto de la presencia o ausencia de un disco de acreción alrededor del objeto final y el efecto de la rotación de las estrellas de neutrones que forman el sistema binario inicial. Por último, se modela el objeto postfusión como un elipsoide de Riemann-S y se determinan las características de la señal emitida en esta fase. Se concluye que el intervalo de frecuencias de las ondas durante la parte final del proceso se encuentra en el rango de los kHz. Esto permite inferir la no detectabilidad de dichos objetos al final de la evolución por parte de los interferómetros terrestres actuales, como LIGO y Virgo, cuyo rango óptimo de operación se encuentra entre 10 Hz y 1 kHz. No obstante, proyectos futuros como el Telescopio Einstein esperan alcanzar una sensibilidad significativamente superior, tanto en frecuencias bajas (por debajo de los 10 Hz) como en el rango de frecuencias altas (hasta varios kHz), lo que permitiría detectar este tipo de señales. Para GW170817, la emisión gravitacional durante la fase de inmersión y amortiguamiento, según el modelo de elipsoides de Riemann-S, genera una energía total en ondas gravitacionales del orden de 10^{53} erg, con una eficiencia neta de hasta un 2%. Sin embargo, esto no es suficiente para explicar la baja energía detectada en los canales de emisión electromagnética. Además, se determina que esta eficiencia no puede ser tan alta como la prevista en otros modelos, que la estiman por encima del 5%. Modelos aproximados que siguen leyes generales de la física, como los aquí presentados, sirven de guía para investigaciones numéricas más detalladas.
Evaluación de Percepción del Módulo Didáctico Fundamentado en el Manejo Estadístico de Datos Aplicado en Estudiantes del Laboratorio de Física I
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-26) Moreno Sarmiento, Luisa Fernanda; Ospina Ospina, Rogelio; Sánchez, Melba Johanna; Martínez Téllez, Jorge H.; Miranda Mercado, David Alejandro
Este proyecto de aula, desarrollado en el marco de la iniciativa EXPERTIC, explora la integración de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) en los procesos de enseñanza y aprendizaje de las sesiones de laboratorio de Física I. El enfoque principal fue evaluar un módulo didáctico que introduce a los estudiantes a las herramientas básicas para el análisis estadístico de datos en entornos de laboratorio, animándolos a fortalecer sus habilidades para interpretar resultados y elaborar informes de laboratorio coherentes. Para alcanzar este objetivo, revisamos y reflexionamos sobre diversos recursos didácticos existentes. Estos incluían materiales audiovisuales, como videos y animaciones, así como documentos escritos: la guía iα, la guía de gestión de errores, listas de verificación de preparación, los Cuestionarios de Preparación de Laboratorio (CPL) y un proyecto de investigación introductorio. El análisis nos permitió identificar qué herramientas fueron más efectivas y qué aspectos requerían ajustes para mejorar el aprendizaje de los estudiantes. El enfoque utilizado en este proyecto priorizó la evaluación cualitativa. Se consideraron la participación de los estudiantes, la claridad de los materiales y cómo cada elemento contribuía a los resultados de aprendizaje esperados en un entorno de laboratorio activo y centrado en el estudiante. También se tuvieron en cuenta conceptos como la enseñanza justo a tiempo y el aprendizaje mediado. Durante la implementación de este proyecto, observamos un progreso notable en el desarrollo de las habilidades de investigación y análisis de los estudiantes. Este trabajo contribuye a los esfuerzos continuos por fortalecer la experiencia educativa en la Universidad Industrial de Santander, en particular en la enseñanza de las ciencias.
Efecto de las colisiones en un plasma parcialmente ionizado para la manifestación de fulguraciones solares en la región cromosférica
(Universidad Industrial de Santander, 2025-06-10) Montañez Lobo, Adrián Ricardo; Lora Clavijo, Fabio Duván; Orozco Ospino, Eduardo Alberto; Becerra Vergara, Eduar Antonio
Las fulguraciones solares son fenómenos caracterizados por la liberación explosiva de la energía que está almacenada en el campo magnético solar, en forma de energía cinética, térmica y por radiación electromagnética, a través del mecanismo de la reconexión magnética. Estos fenómenos son caracterizados por considerarse de carácter coronal, por lo cual han sido estudiados bajo el marco de los fluidos totalmente ionizados. Sin embargo, durante estos eventos se han registrado trazas de emisión en el espectro del hidrógeno, las cuales sugieren la presencia de procesos de ionización y recombinación. En el presente trabajo de grado se desarrolla la reconexión magnética en el marco de las fulguraciones solares de origen cromosférico. Para ello, se analiza la posibilidad de que ocurran estos eventos en un entorno que involucre plasma parcialmente ionizado, por medio del análisis energético y morfológico del sistema. Así mismo, se observa el efecto de la interacción por medio las colisiones elásticas e inelásticas, sobre el proceso de la reconexión magnética. Con este propósito, se emplea el código MAGNUS, un código magnetohidrodinámico diseñado para computación paralela que integra los efectos de la resistividad óhmica y la transferencia de calor. Este código está adaptado para simular la interacción de dos fluidos, la cual se describe mediante términos de colisiones. Para resolver estos términos, se implementa un esquema de evolución Explícito-Implícito, que facilita el cálculo de términos rígidos. De este trabajo se obtuvo que, para un volumen de 0.4 x 0.0078 x 0.4 ~ [Mm³] en la cromósfera, las escalas de energía liberada comprenden los 10^19 y los 10^20 ergios, lo cual son escalas aceptables considerando el volumen tan reducido en comparación con las escalas esperadas de una fulguración. Así mismo, se determinó que en esta región el efecto de las colisiones juega un papel importante, mostrando aumentos de hasta un 50\% de la energía liberada cuando se tiene en consideración el efecto de las colisiones.
Modelado del efecto de un campo magnético externo en el ATP Sintasa
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-24) Flórez Velásquez, Miguel Mauricio; Miranda Mercado, David Alejando; Páez Gonzáles, Carlos José; Fernandez Pinto, Janeth
La producción de ATP al interior de la mitocondria es un proceso fundamental para la vida, teniendo en cuenta que esta molécula cumple la función de proveer a la célula de energía para cualquiera de sus funciones. Por esta razón, los procesos intracelulares dependen en gran medida de la producción de esta molécula y, en consecuencia, del funcionamiento correcto del complejo enzimático ATP − Sintasa. En la literatura científica se han reportado estudios sobre la producción de ATP, encontrando que la baja producción de esta molécula afecta el funcionamiento de la célula, alterando su comportamiento y, en caso de organismos pluricelulares, repercutiendo sobre el tejido al que están asociadas. En el caso de los seres humanos, se ha observado que las concentraciones anómalas de ATP en células del tejido nervioso o cardíaco, presentan relación con el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas y del corazón, respectivamente. Actualmente, el modelo propuesto para la ATP − Sintasa plantea que se divide en dos estructuras, un rotor y un estator. En el estator se produce la síntesis de ATP y el rotor le provee de la energía requerida, por medio del transporte de protones a través de la membrana mitocondrial interna, como consecuencia de un gradiente de concentración. Algunas investigaciones han propuesto el análisis de este proceso por medio de potenciales termodinámicos, siendo la energía libre de Gibbs el más comúnmente usado para estas descripciones. En este proyecto de investigación, se analizó el balance de energía en este complejo molecular, así como el impacto que tiene la presencia de campos magnéticos externos sobre la síntesis de ATP, considerando que el transporte de protones genera un campo magnético que podría interactuar con los átomos y moléculas al interior de la matriz mitocondrial. Lo anterior se realizará por medio de un script Python, para graficar los campos magnéticos producidos por el rotor, así como su interacción con los campos externos. Los resultados observados permiten inferir la posibilidad de utilizar campos magnéticos para transportar las moléculas requeridas para la síntesis de ATP, influyendo en su producción y, por consiguiente, en sus concentraciones en la célula.
La inflación primordial de rodadura constante
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-12) Adarme Rodríguez, Julián; Rodríguez García, Yeinzon; Becerra Vergara, Eduar Antonio; Nieto Guerrero, Carlos Mauricio
Han pasado ya 43 años desde que Alan Guth propuso la idea de una expansión exponencial acelerada. Aunque su motivación original era distinta, este periodo que hoy en día conocemos como inflación ha resultado ser fundamental para explicar la notable homogeneidad que tiene el universo temprano para el momento en el que sucede recombinación. Dado que se trata de un marco de pensamiento relativamente reciente, era de esperarse que muchos modelos inflacionarios surgieran y no estuviesen de acuerdo con las observaciones, como en el caso de los escenarios de inflación caótica, inflación natural e inflación de cima de colina (aunque este último puede resultar viable si se considerando un potencial cuártico). Algunos modelos de vieja data demostraron ser lo suficientemente acertados como para seguir siendo considerados relevantes, mientras que otros son más recientes y con ideas tanto atractivas como frescas, algo que siempre brinda mucho de qué hablar. En torno a este último grupo de modelos se centra este proyecto de investigación. El propósito es explorar en detalle los elementos y características de la inflación de rodadura ultra lenta y de la inflación de rodadura constante, y compararlos a su vez con los de su predecesor, la inflación de rodadura lenta.
Determinación por primeros principios de la capacitancia cuántica de nanotubos de óxido de titanio
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-21) Garcés Castro, Jesús Alberto; Miranda Mercado, David Alejandro; García Castro, Andres Camilo; Beltrán Ríos, Carlos Leonardo; Paredes Gutiérrez, Harold
En este estudio se determinó la capacitancia cuántica mediante primeros principios en un cristal de dióxido de titanio en fase anatasa y en diversos modelos de nanotubos del mismo material. Los nanotubos fueron seleccionados por su relevancia en aplicaciones tecnológicas y por su caracterización previa por el grupo de investigación CIMBIOS. Para el análisis se empleó la teoría del funcional de la densidad (DFT) como marco teórico. Las simulaciones se realizaron con el software VASP, utilizando diferentes fuentes cristalográficas para modelar el cristal base y construir los nanotubos. Se revisaron estudios recientes sobre la determinación de la capacitancia cuántica en otros sistemas, adoptando y adaptando los métodos propuestos en la literatura. Debido a que la capacitancia cuántica es aún un fenómeno en exploración, con resultados experimentales que carecen de una explicación teórica completa, se emplearon dos enfoques. El primero, bien establecido, se basa en la relación entre la densidad de estados y la capacitancia. El segundo, desarrollado en este trabajo, se apoya en la teoría moderna de la polarización para estimar la capacitancia, aportando una metodología novedosa. Los resultados obtenidos a través de ambos métodos muestran buena concordancia con datos experimentales previos, lo que refuerza la validez de los modelos y plantea nuevas oportunidades para el diseño de dispositivos basados en nanotubos de TiO2.
Evolución temporal de las propiedades eléctricas en corriente alterna de compuestos cementantes basados en nanopartículas de cobre.
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-06) Torres Ramírez, Carlos Andrés; Triana Camacho, Daniel Andrés; Quintero Orozco, Jorge Hernán; Miranda Mercado, David Alejandro; Delvasto Angarita, Pedro Luis
La investigación en el campo del cemento y la construcción ha destacado el creciente potencial de la nanotecnología para el desarrollo de materiales con propiedades avanzadas. En este contexto, materiales conductores como el cobre han facilitado la creación de compuestos cementantes con capacidades de aislamiento electromagnético y mejoras en el refuerzo mecánico. Este estudio se centra en evaluar el impacto de las nanopartículas de cobre (Cu NPs) en las propiedades eléctricas y mecánicas de compuestos cementantes. Para ello, se fabricaron compuestos a base de cemento con diferentes concentraciones de Cu NPs (0 ppm, 1 ppm, 3 ppm y 7 ppm). Estos nanocompuestos incorporaron electrodos de cobre, empleándose la técnica de espectroscopía de impedancia eléctrica (EIS) para monitorizar la evolución de las propiedades eléctricas a lo largo de 140 días. Los resultados revelaron una contribución significativa de las Cu NPs en la mejora de las propiedades eléctricas en corriente alterna, mostrando una correlación positiva entre el incremento en la concentración del nanomaterial y las mejoras obtenidas. Adicionalmente, las muestras fueron sometidas a cargas cíclicas utilizando una máquina hidráulica para medir fuerza y deformación, permitiendo la caracterización del módulo de Young. Los resultados indicaron que la resistencia de los compuestos cementicios aumenta con la adición de Cu NPs. Paralelamente, se emplearon técnicas como la dispersión dinámica de luz (DLS) y la microscopía electrónica de barrido (SEM) para caracterizar tanto el nanomaterial como la interfaz microestructural de los compuestos Cu NPs/cemento. Estas técnicas permitieron establecer una relación clara entre las mejoras observadas en las propiedades eléctricas y mecánicas, y la inclusión de las Cu NPs.
Simulación computacional de las oscilaciones autoresonantes de iones confinados en una trampa electrostática anarmónica
(Universidad Industrial de Santander, 2025-02-22) Maestre Salcedo, Dayanna Daniela; Orozco Ospino, Eduardo Alberto; Lopez, Jesus Eduardo; Gutierrez Niño, Willian; Otero Olarte, Oswaldo
La espectrometría de masas es una herramienta analítica fundamental para identificar y cuantificar la composición química de diversas muestras. En este contexto, el espectrómetro de masas ART-MS representa una innovación al combinar una trampa electrostática anarmónica con un campo de radiofrecuencia con frecuencia decreciente en el tiempo, permitiendo el confinamiento y la extracción selectiva de iones según su relación masa-carga. Este trabajo presenta un enfoque computacional detallado para analizar la dinámica iónica en el ART-MS, abarcando desde el confinamiento inicial hasta la extracción final. Los resultados de las simulaciones confirman la efectividad del fenómeno de autoresonancia, mostrando que la frecuencia de extracción depende inversamente de la raíz cuadrada de la relación masa-carga, lo que permite una separación precisa de las especies iónicas. Además, se identificó la presencia de armónicos en el proceso de extracción, un hallazgo que podría afectar la selectividad del dispositivo y resalta la necesidad de estrategias para mitigar su impacto. Por otro lado, el estudio exploró el efecto de dos diferentes perfiles de decaimiento de frecuencia en la fuente de RF. Estos hallazgos no solo validan el uso de simulaciones computacionales como herramienta para analizar y optimizar dispositivos ART-MS, sino que también proporcionan una base sólida para el diseño de nuevas configuraciones y estrategias de calibración.

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