108° RAFA – Reunión Anual de Física – 2023

108 RAFA

Cronograma 108° RAFA – 19 al 22 de setiembre de 2023

Horario	Martes 19	Miércoles 20		Jueves 21			Viernes 22
8:00-8:30	Inscripción	Inscripción
8:30-9:00		Inscripción
9:00-9:30		Dova		Berger			Masullo
9:30-10:00	Bienvenida/apertura	Dova		Berger			Masullo
10:00-10:30	Ponce Dawson	Moya		Arrachea			Vidales
10:30-11:00	Ponce Dawson	Moya		Arrachea			Vidales
11:00-11:30	Café	Café		Café			Café
11:30-12:00	Asensio	Rudolph		Molina	Borzi		Hurtado
12:00-12:30	Asensio	Rudolph		Giorgetti	Pardo		Hurtado
12:30-14:00	Almuerzo	Almuerzo		Almuerzo			Almuerzo
14:00-14:30	Charlas de División	Haberkorn	Ferrari	Charlas de División			Mesa Redonda de la SG
14:30-15:00		Charlas de División
15:00-15:30
15:30-16:00							Cierre
16:00-16:30
16:30-17:00	Café			Café y posters
17:00-17:30	Soto	Café y Posters
17:30-18:00	Soto					Asamblea Auditorio Centro Histórico Cultural Rondeau 29
18:00-18:30	Ciclo de Cine Maelström 2001
18:30-19:00		Pregliasco
19:00-19:30		Pregliasco
19:30-20:00		Ciclo de Cine Varsavsky, el científico rebelde
20:00-20:30
20:30-21:00
21:00-21:30				Cena de camaradería

Las actividades se desarrollarán en el microcentro de la ciudad a escasas cuadras de la Plaza Rivadavia. Por las mañanas las conferencias se realizarán en el Aula Magna del Rectorado de la Universidad Nacional del Sur, cita Avda. Colón 80. Luego del almuerzo la actividad de la tarde se desarrollará simultáneamente en salas de la Biblioteca Rivadavia (Avda. Colón 31) y el Centro Histórico Cultural (Rondeau 29). La sesión de posters tendrá lugar en el Gimnasio de las EMUNS (Gorriti 36) vinculado internamente con el Centro Histórico.

Actividad	Lugar de la actividad	Dirección	Sala	Capacidad
Conferencias plenarias (CP) Conferencias semiplenarias (CSP) Charlas Debate Mesa redonda Charla de divulgación Café de la sesión de la mañana	Rectorado de la UNS	Avda. Colón 80	Aula Magna Salón Fundadores Sala Bergé Vila	310 100 60
Charlas de división Asamblea Café de la sesión de la tarde	Centro Histórico Cultural	Rondeau 29	Sala 2 Auditorio	60 130
Charlas de división	Biblioteca Rivadavia	Avda Colón	S1 S2 S3	30 30 30
Paneles y posters	Gimnasio EMUNS	Gorriti 36	Gimnasio	300

"Discovery and characterization of advanced materials using Artificial intelligence and precise electronic and chemical imaging techniques"

Advanced materials have contributed significantly and even revolutionized diverse technology and industry fields like information technology, energy, medicine, transportation, environmental science, etc. The significant advances in these areas lead to faster, smaller, more energy-efficient, and more portable systems based on intelligent properties that pave the way for continuously evolving innovative applications. A critical problem in this field is determining the electronic structure of sub-micrometric materials precisely and directly.
Recently, remarkable progress has been achieved in modern microscopies. However, even if they have attained exceptional lateral resolution, the problem of providing a robust spectroscopic and electronic characterization of materials at the nano- and mesoscopic-scale remains. This gap has been recently filled by an innovative and powerful k-space nanoscope or Nano-ARPES (Nano Angle-Resolved Photoelectron Spectroscopy). This cutting-edge nanoimaging technique can determine the momentum and spatial resolved electronic structure, disclosing the implications of heterogeneities and confinement on the valence band electronic states typically present close to the Fermi level. The kspace nanoscope can be effectively combined with chemical imaging based on core levels (and their chemical shifts) scanning photoemission can detect even very tiny different chemical environments. In this presentation, the more relevant Nano-ARPES results will be disclosed [1-7].
In parallel to this powerful experimental approach for materials characterization, recently, there has been an increasing interest in applying Artificial Intelligence (AI) tools [8-9] and their subclasses to better predict novel materials with designed properties. This collection of statistical methods has already obtained considerable success, particularly in the context of the materials genome initiative (MGI) [10]. However, compared to other fields, the materials data are typically much smaller and sometimes more diverse, which undoubtedly affects the construction and effectiveness of AI models. This presentation will describe a deep-learning approach to identify promising candidate energy storage materials. This data-driven method utilizes structural and electronic parameters from the Materials Project, NOMAD, and other available databases. The approach based on a graph neural network (GNN) model trained with a large-prepared dataset will be described, together with the employed techniques for interpretability and representation analysis. As raw data are vulnerable to noise, corruption, missing, and inconsistent data, pre-processing steps have been carried out using cleaning, integration, transformation, and reduction of the raw data. In some cases, respecting physicochemical criteria, we have also implemented data augmentation approaches to generate data and considerably reduce the error metrics of the used AI techniques.

Fig.1. Real-space image and nano-ARPES electronic band dispersion of single- and multi-layer graphene films on SiO2 substrate. Left panel, scheme of the Nano-ARPES apparatus, middle panel Nano-ARPES data recorded at the “A” position of the image (right panel).

References:
[1] Y. Chen et al., Advanced Materials., on line first (12/05/2018): (2018).
[2] H. Yi, et al., Appl. Phys. Lett. 112, 052102 (2018).
[3] Y. Ma, et al., Nature Communications 8 (2017) 14231.
[4] S.J. Gilbert, et al., ACS Appl. Mater. Interfaces. 12 (2020) 40525–40531. https://doi.org/10.1021/acsami.0c11892.
[5] K. Sakamoto, et al., Nano Lett. (2021) acs.nanolett.1c01100. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01100.
[6] V.L. Nguyen, et al, Nat. Nanotechnol. 16 (2021) 114–116. https://doi.org/10.1038/s41565-020-00821-z.
[7] M.E. Dávila, et al., Sci Rep. 11 (2021) 15034. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94664-w.
[8] R. Batra, L. Song, R. Ramprasad, Emerging materials intelligence ecosystems propelled by machine learning, Nat Rev Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41578-020-00255-y.
[9] T. Lombardo, et al., Artificial Intelligence Applied to Battery Research: Hype or Reality?, Chem. Rev. (2021) acs.chemrev.1c00108. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00108.
[10] Materials Genome Initiative for Global Competitiveness, (2011), https://www.mgi.gov.

"The physics of molecules within and beyond the standard model"

Diatomic and polyatomic molecules offer a wealth of opportunities to probe possible violations of fundamental symmetries as expected within the standard model of particle physics or as predicted by theories that describe new physics beyond this model.
In this talk, I plan to discuss selected recent developments in exerting quantum control on cold molecules in the gas phase [1-4], highlight latest progress in diatomic [1,5] and polyatomic chiral [6-8] molecules towards first detection of parity violating effects [9] that are predicted within the standard model, but have, despite considerable effort, not been detected so far, and outline perspectives to observe parity and time-reversal violating interactions beyond the standard model in specifically tailored molecules [4,5,10]. Finally, I intend to highlight briefly pathways to search for specific dark matter candidates with chiral molecules [11] and touch upon potential further tests of discrete symmetries with molecular systems.

[1] T.A. Isaev, S. Hoekstra and R. Berger, Lasercooled RaF as a promising candidate to measure molecular parity violation, Phys. Rev. A, 2010, 82, 052521.
[2] T. A. Isaev and R. Berger, Polyatomic candidates for cooling of molecules with lasers from simple theoretical concepts, Phys. Rev. Lett. 2016, 116, 063006.
[3] T. A. Isaev and R. Berger, Towards ultracold chiral molecules, Chimia, 2018, 72, 375-378.
[4] C. Zülch, K. Gaul, S. M. Giesen, R. F. G. Ruiz, R. Berger, Cool molecular highly charged ions for precision tests of fundamental physics, arXiv:2203.10333, 19 Mar 2022.
[5] R. F. Garcia Ruiz et al., Spectroscopy of short-lived radioactive molecules, Nature, 2020, 581, 396-400; S. M. Udrescu et al., Isotope shifts of radium monofluoride molecules, Phys. Rev. Lett., 2021, 217, 033001.
[6] S. A. Brück, N. Sahu, K. Gaul, R. Berger, Quasi-relativistic approach to analytical gradients of parity violating potentials, J. Chem. Phys., 2023, 158, 194109;
[7] N. Sahu, K. Gaul, A. Wilm, M. Schnell, R. Berger, Towards detection of molecular parity violation by microwave spectroscopy of CpRe(CH3)(CO)(NO), arXiv:2303.08263, 14 Mar 2023.
[8] B. A. Stickler, M. Diekmann, R. Berger, D. Wang, Enantiomer superpositions from matter-wave interference of chiral molecules, Phys. Rev. X, 2021, 11, 031056.
[9] R. Berger and J. Stohner, Parity Violation, WIREs Comput. Mol. Sci., 2019, 9, e1396.
[10] K. Gaul and R. Berger, Toolbox approach for quasi-relativistic calculation of molecular properties for precision tests of fundamental physics, J. Chem. Phys., 2020, 152, 044101.
[11] K. Gaul, M. G. Kozlov, T. A. Isaev, R. Berger, Chiral molecules as sensitive probes for direct detection of P-odd cosmic fields, Phys. Rev. Lett., 2020, 125, 123004; Parity nonconserving interactions of electrons in chiral molecules with cosmic fields, Phys. Rev. A, 2020, 102, 032816.

"Physical chemistry of polyelectrolyte assemblies: from polyelectrolyte nanoparticles to small molecule/polyelectrolytes complexes"

Polyelectrolytes are polymers bearing multiple charges. Polyelectrolytes respond to changes in ionic strength and pH varying conformation. They are easy to synthesize, assembly, and pattern, being excellent tools for nanofabrication. A large number of biomolecules that can be considered polyelectrolytes play important roles in biology, like proteins and many glycans.
Polyelectrolytes can associate with other polyelectrolyte molecules by attractive electrostatic interactions and for complexes, i.e. associations of molecules hold together by non covalent interactions. Polyelectrolytes can also complex small charged molecules. Complexation involving polyelectrolytes is a frequent phenomena in nature, and it is also has practical relevance as a mean for the encapsulation of charged drugs and therapeutics in drug carriers.
The design of polyelectrolyte based carriers for drug delivery is one the main research lines in our group. Besides therapeutic applications we are interested in the biological fate of the carriers, and in understanding physico chemical aspects of the complexation of small and large molecules with polyelectrolytes. The focus of this presentation will be to discuss fundamental issues related to the formation and complexes between polyelectrolyte carriers and charged therapeutics: nucleic acids, doxorubicin (chemotherapeutic agent), anthocyanins (antioxidants), among others, and their physico chemical characterization. For this a battery of experimental techniques will be applied: Time Lapsed NMR, diffusion NMR, Fluorescence Correlation Spectroscopy, Confocal Microscopy, TEM, Small Angle X Ray Scattering, Circular Dichroism, etc.
In the presentation it will be analysed how the electrostatic association among oppositely charged molecules can impose their spatial organization and lead to the formation of more complex supramolecular structures with new physico chemical characteristics. Colloidal properties of the complexes and their responsiveness to changes in the environment will be as well described. Finally, the physical chemistry of the complexes will be related to their therapeutic goals highlighting the relevance of the physical characterization for understanding biological fate and for the properly design of drug delivery systems.

Presentación del libro: “Sólidos: un enfoque conceptual”

En esta charla quiero presentarles mi libro “Sólidos: un enfoque conceptual” recientemente publicado por la Editorial Reverté en España. Este libro de texto presenta una introducción al fascinante universo de la física del estado sólido a todos aquellos que necesiten acercarse por primera vez a este campo, mediante un enfoque didáctico y coloquial.
Sabemos que existen numerosos y excelentes libros que introducen la Física del estado sólido. Sin embargo, muchos de esos libros exigen conocimientos y herramientas físicas o matemáticas complejas. Este libro, en cambio, presenta la física del estado sólido partiendo desde conceptos simples y, paulatinamente, va construyendo el conocimiento hacia los conceptos más complejos.
El trabajo actual (tanto de desarrollo como de investigación) en Ciencia de Materiales se nutre de un enfoque interdisciplinario, en el cual confluyen saberes muy diversos, no sólo de física o química, sino también de diferentes ramas de ingeniería y, más recientemente, de biología o medicina. Esta interdisciplina exige que el conocimiento de la física del estado sólido pueda ser abordado desde diversas ramas de ciencias e ingenierías. Este libro busca ser parte de ese aprendizaje.
Explicaré la forma en la que está estructurado el libro, que comienza desde el origen de los sólidos y las estructuras en las cuales éstos cristalizan pasando por la dinámica que da lugar a las ondas de sonido en materiales. En el libro también se incluyen las propiedades térmicas de los materiales y las propiedades electrónicas de metales, aislantes y semiconductores poniendo énfasis en el análisis de estructuras de bandas e introduciendo las propiedades ópticas. Se incluye un capítulo que integra y entrelaza conceptos claves y el libro cierra con un raconto imaginario y lúdico que permite relacionar lo aprendido con situaciones de la vida cotidiana.
Contaré acerca del proceso de escritura y edición que conlleva un libro de estas características, porque esta charla también busca ser inspiradora para quienes tengan una forma diferente de introducir un campo del conocimiento con el objetivo que ese conocimiento llegue a una mayor cantidad de personas, a través de un libro relatado con un enfoque conceptual.

"La Resuspensión de Partículas Micrométricas: el rol de la Física en su estudio y la creciente necesidad ambiental de predecirla"

El problema de la resuspensión o desprendimiento de partículas de polvo (1 a 100 um) previamente depositadas en una superficie sólida, está asociado con el despegue aerodinámico y otros mecanismos de perturbación mecánica de dichas partículas. Este fenómeno está presente en muchos procesos industriales y también cotidianos y, dependiendo del caso, debe ser limitado para evitar la contaminación superficial, (por ej., la acumulación de polvo sobre una celda solar) o debe ser evitado cuando las partículas son de materiales peligrosos (partículas radioactivas en plantas nucleares, contaminantes ambientales, partículas sólidas en ambientes de hospitales, gérmenes patógenos, etc.).
El rol del flujo de un fluido en la resuspensión de partículas ha sido estudiado experimentalmente por años. Muchos estudios miden la cantidad de partículas remanentes sobre la superficie una vez que han sido expuestas a un flujo controlado. Los dispositivos más usados para estudiar el este fenómeno han sido los túneles de viento (de canal rectangular) donde el flujo puede caracterizarse con relativa facilidad para el caso de una capa viscosa bien desarrollada, siendo útiles para estudios de resuspensión atmosférica (arenas, sedimentos, polvo) y en ductos de ventilación. En el caso de accidentes nucleares, la capacidad de predecir la dinámica de resuspensión de polvos radioactivos es fundamental para el control de la contaminación, tanto en ambientes internos de las plantas termonucleares como en la atmósfera circundante. Por ello, es necesario realizar experiencias de laboratorio para convalidar cualquier modelo teórico de predicción propuesto.
Por ejemplo, para las cámaras toroidales con bobinas magnéticas (del ruso “tokamaks”) usadas en la fusión nuclear, la presencia de polvos es peligrosa si llegase a ocurrir una pérdida de presión en las instalaciones en caso de un accidente. En este sentido, se han realizado recientemente experimentos con partículas de tungsteno sobre superficies sometidas a fuerzas aerodinámicas a fin de medir las fuerzas de adhesión de dichas partículas sobre la superficie y estudiar el fenómeno de resuspensión en función de parámetros clave como el tamaño y forma de las partículas, la velocidad de fricción del fluido y la densidad de la atmósfera. Los resultados obtenidos para monocapas demuestran un buen acuerdo con modelos ya existentes, pero la distribución de fuerzas de adhesión encontradas es ciertamente diferente para valores pequeños de dichas fuerzas. Por otro lado, la fracción de partículas resuspendidas es mucho mayor para partículas pequeñas que lo que predicen los modelos clásicos para monocapas. Para multicapas de tungsteno, los resultados experimentales no pueden explicarse con los modelos existentes. En efecto, en el problema de la resuspensión en multicapas, las incógnitas respecto al movimiento de las partículas es aún un tema abierto y puede decirse que el entendimiento del problema hasta el presente es sólo preliminar. En esta situación, podemos esperar que a las interacciones tenidas en cuenta en el caso de monocapa, se deban agregar los efectos interactivos entre partículas y entre clusters de partículas. En consecuencia, la dinámica del problema no es sencilla y la inclusión de todos los parámetros en juego en la iniciación del movimiento de las partículas no es directa. Por ello, además de la realización de experimentos, las simulaciones numéricas aportan valiosa información a la descripción buscada.
Hasta el presente, todavía son necesarios una investigación más profunda de los principales mecanismos observados experimentalmente como los responsables en la puesta en movimiento de las partículas y el desarrollo de modelos adecuados que los describan. En el caso particular de la Argentina, no se cuenta hasta ahora con ninguna investigación sistemática con aportes de estudios básicos que sean aplicables al problema de la física de la resuspensión de partículas. Esto a pesar de la importancia que hoy en día tienen los temas relacionados al medio ambiente y, en especial, la vigencia de la discusión sobre la contaminación ambiental.

"Nanoscopía de fluorescencia con uso eficiente de fotones mediante el escaneo de mínimos de intensidad de luz"

La microscopía de superresolución, o más precisamente las técnicas de nanoscopía de fluorescencia¹, han revolucionado la obtención de imágenes basadas en la fluorescencia alcanzando resoluciones mucho más allá del límite de difracción de la luz de ~200-300 nm. Aunque no existe un límite fundamental para la resolución espacial de la nanoscopía, en la práctica se alcanzan entre 20 y 30 nm de resolución lateral debido al limitado número de fotones de fluorescencia detectables, impuesto principalmente por la fotodegradación de los fluoróforos. Alcanzar el régimen de sub-10 nm es de sumo interés ya que ese es el tamaño típico de las proteínas estructurales y por lo tanto permitiría extender la aplicación de estos métodos a estudiar las estructuras proteicas supramoleculares con resolución molecular en condiciones biológicamente compatibles².

En esta Tesis de Doctorado se desarrollaron a nivel teórico ³ y experimental distintos métodos de nanoscopía de fluorescencia basadas en la excitación de moléculas fluorescentes con patrones de luz estructurada y detección a nivel de moléculas y fotones individuales. En particular se obtuvieron resoluciones espaciales de ~50 nm en videonanoscopía de células vivas ⁴ y de hasta ~1 nm usando patrones de intensidad con mínimos locales de excitación en experimentos de seguimiento (tracking) ⁵ e imágenes ^5,6 de moléculas individuales.

¹ Sahl et al, Nature Reviews Molecular Cell Biology 18, 685–701 (2017)

² Masullo et al, Biophysical Reviews 13, 1101-1112 (2021)

³ Masullo et al, Biophysical Reports 2, 100036 (2022)

⁴Masullo et al, Nature Communications 9, 3281 (2018)

⁵Masullo et al, Nano Letters 21, 1, 840-846 (2021)

⁶Masullo et al, Light: Science and Applications 11, 199 (2022)