Proyectos de investigación
"Sistema de gestión de información óptica hiperespectral para agricultura de cuarta generación (4G) en cultivos de importancia socioeconómica de la región del Valle del Cauca"
2020-2021
El monitoreo del estado nutricional de los cultivos aplicando técnicas ópticas ha tenido una creciente acogida a nivel mundial, gracias a que por medio de técnicas no destructivas puede aportar información en tiempo real, para la toma de decisiones que permitan acciones correctivas en el momento oportuno y garanticen el desarrollo esperado en el cultivo. En Colombia apenas se está incursionando en el aprovechamiento del potencial de estas técnicas; su uso se ve limitado por la falta de herramientas que permitan el posterior procesamiento de los datos, que puedan ser utilizadas por los usuarios del sector agrícola y que les brinden información oportuna para la toma de decisiones.
Por estas razones, el desarrollo de estrategias orientadas a la innovación y el desarrollo tecnológico del sector articulado al uso de la propiedad industrial constituyen una vía para brindar al sector agrícola alternativas para optimizar sus prácticas, elevar su potencial en competitividad y garantizar la transición de Colombia hacia la agricultura de cuarta generación.
Los resultados esperados en el desarrollo de esta propuesta son: el fortalecimiento en competencias investigativas, capacidad de identificación conocimiento de innovaciones, protección y gestión en materia de propiedad intelectual, sensibilización sobre el uso de propiedad intelectual, diseño de prototipo de instrumento para monitoreo (a nivel de dosel y foliar) que garantice innovación en sus características y la posibilidad de ser protegido, generación y difusión de conocimiento que contribuya a la adopción de la propiedad intelectual como estrategia para incentivar a innovación y fortalecer la competitividad en el sector agrícola.
"Evaluation of heavy metals in freshwater to prevent and alert human consumption"
2019-2021
Leachates from mismanaged landfill sites and uncontrolled dumping of waste from industrial plants or mine tailing can contain heavy metals such as mercury or arsenic, among others, which constitutes, according the UN, one of the four main areas of pollution. this year´s report by the "United Nations Environment Assembly of the UN Environment Program", over 80 percent of the world ́s wastewater is released into the environment without treatment. In Colombia, for example, illegal small scale and subsistence mining uses mercury for ease recovery of "free gold"; only in 2017 Colombian police seizure 1,880 kg of mercury which could be dumped into rivers, and eventually absorbed by local fauna and humans. Therefore, developing a smart solution for monitoring heavy metals, in order to prevent and take early actions is vital. We have designed a set of optical sensors and biosensors capable of accurately detecting small concentrations of heavy metals. These devices are cheap, reproducible, easy to implement and can be used in field conditions.
“Spectral bioindicators for monitoring sugar cane crop under environmental tension conditions by availability of nitrogen”
2015-2020.
Healthy crops are the foundation of the food system and the basis for competitive and sustainable agricultural systems; thus, the health of a crop and the search for monitoring methods constitute a challenge in agricultural production and determine its efficiency. Additionally, there is meager data to develop, apply and transfer these methods to crops under conditions of environmental stress in Colombia.
An alternative to obtain data is to measure the spectral properties of the crop. These properties are defined by biochemistry and leaf structure, which determine specific spectral responses by the participation in the metabolism and physiology of the plant, like biophysical characteristics. Besides this, stresses due to nutrient deficiency, produce alterations in the total spectrum or in specific bands. Optical spectroscopy of diffuse reflectance and transmittance in the visible and near infrared range (VIS-NIR), provide analytical-synthetic techniques to infer photochemical and biophysical variables of the crop, allowing the determination and monitoring of the health and physiological state of crops in a non-destructive, fast, cost-effective, reproducible and repeatable way.
The purpose is to develop optical spectroscopy methods which will be used in field, using a diffuse reflectance and transmittance measurement system in the VIS-NIR range, to establish the spectral response from models of interaction of light at leaf and canopy level. All measurements will be generated from CC-011940 variety of sugarcane, which will allow the determination of spectral bioindicators related to the photochemical and biophysical response, under conditions of commercial management and environmental stress due to the availability of nitrogen.
"Sistema aéreo autónomo para el mapeo del contenido de nitrógeno de un cultivo usando microsensores espectrales" CI. 2961.
2017-2019
El desarrollo de nuevas técnicas y tecnologías en agricultura ha permitido un mejoramiento substancial de la productividad del sector agroindustrial en cultivos de gran escala. Èstas técnicas y tecnologías también pueden incrementar la competitividad y productividad de pequeños agricultores optimizando el rendimiento y maximizando la calidad de los productos. Colombia es un país de vocación fundamentalmente agrícola, con una necesidad real de mejorar la eficiencia y los índices de productividad para competir en los mercados nacionales e internacionales. Además de las nuevas tecnologías ligadas directamente a la agronomía, a la biología y la química, existen hoy técnicas ópticas y electrónicas que combinadas, permiten el seguimiento espacial y periódico de los cultivos, a través del sensado remoto, con el subsecuente beneficio de disponer de información confiable y en tiempo real que facilite la trazabilidad y el manejo adecuado de los sistemas productivos agrícolas.
Sin embargo, la aplicación de este tipo de nuevas técnicas es limitada por las condiciones geográficas del sector agrícola (alta nubosidad, tierras escarpadas, etc.) y la precaria situación socioeconómica en Colombia, que hacen que el sensado remoto satelital o aerotransportado tenga muchas limitaciones por su falta de disponibilidad real, alto costo y complejidad operativa. Una aplicación potencial del sensado remoto, que hasta el momento está sin desarrollar en la región, es la que utiliza en combinación microsensores espectrales y plataformas aéreas autónomos de baja altitud, con el objetivo de conformar programas preventivos bajo el concepto de agricultura de precisión, al detectar tensiones ambientales como deficiencias nutricionales; con ello, es posible diagnosticar a tiempo y asegurar la calidad y cantidad de la producción por área cultivada, independiente de la configuración geográfica de una zona.
Dado el desarrollo de los últimos años en microsensores óptico-electrónicos y plataformas aéreas autónomas, el propósito de este proyecto es desarrollar un sistema aéreo autónomo, integrado con microsensores espectrales, para mapear el contenido de nitrógeno de un cultivo específico, en condiciones experimentales.
Los resultados esperados de este proyecto son: una plataforma aérea autónoma integrada con microsensores espectrales para el monitoreo de un cultivo, un sistema de gestión y planificación de vuelo del sistema autónomo para la captura georrefereciada de datos del cultivo, la definición de bioindicadores espectrales de contenido de nitrógeno del cultivo y su correlación con parámetros propios del cultivo y una metodología para el procesamiento, análisis y presentación de información del comportamiento espectral sobre un área de cultivo definida.
"Formation and control of cold molecules"
2015-2018
The success and efficiency of the coherent control of chemical reactions requires preparation of the reactants, which can be molecules or atoms, in specific states. Cold molecules formation from cold atoms by external fields and their dynamics must be analyze, this demands the knowledge of precise details about the molecular structure and collisions processes between atoms. The rapid progress in the technology of radiation sources and nanoscale engineering give us access to much accuracy information on this cold matter. We need to study and understand this information with the expectation to obtain control over the quantum processes; in fact it is a major role of the theoretical counter part of the field. For the first time in Colombia, a group has combined experiences and knowledge from different areas on topics like: control of chemical reaction by light, collision of atoms, creation of molecules, strongly correlated many-body systems, and molecular reaction dynamics, to do contributions in a new and excited research area on Cold Molecules. The current mechanism to produce cold molecules from photoassociation of pair of cold atoms involves two or more steps [14-17]. The one-step process, which is proposed here using cold alkali atoms initially trapped in orbiting resonances, to go on translational cold molecules in their ground electronic states are an original proposal in the cold molecules field. Chirped laser pulses to control the population transfer during the process are used. We focus in molecules of experimental interest for example KRb. After the formation of molecule by above proposal or another, the transferring of the molecule toward specific rovibrational states are studied. Methodologies well established experimentally like STImulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP) [14-17] and Stark-induced Adiabatic Raman Passage - SARP [17] are theoretically explored, to obtain real parameters of pulses to get the control over internal degrees of freedom of molecule. We expect that the methodology performed of project is extended to other polar molecules as LiCs, RbCs. Due to photoassociation mechanism the triplet-rovibrational excited state has high probability to be populated [2, 14-17], thus STIRAP process involves passage from triplet to singlet-rovibrational ground state. Hence, it is interesting to analyze the coherent direct-transfer population between the singlet and triplet sublevels of the rovibrational of the Mott-Insulator molecular ground-state [18] as a function of the Coulomb on-site and nearest-neighbor interactions. For which on a strongly interacting many-body molecular gas loaded on one-dimensional optical lattices are studied. Some spectroscopic details of the molecule are taken from literature, such as electronic potentials, long-range contributions, van Der Waals coefficients, scattering lengths, electronic dipoles, spin-orbit couplings, among others. Those are necessary to calculate the properties here we propose. The methodology to obtain precise potentials and dipole transfer moments was acquired in previous works. In general in this project several analytic and numerical methods are combined to study the dynamics of the molecule, which enriches the analyzing. The expectations from this project are concentrated in two points: formation of the students and publication of the papers in which the main conclusions are shown.
"Control del estado cuántico de moléculas frías"
2014-2015
El rápido avance en la tecnología de fuentes de radiación y la ingeniería a nivel nanométrico van de la mano con exhaustivos análisis numéricos y analíticos que nos permiten comprender la magnitud y complejidad de los fenómenos cuánticos. El estudio específico de la dinámica molecular a temperaturas muy bajas (T~K) en presencia de radiación permite proponer esquemas de control cuántico sobre los diversos grados de libertad internos de las moléculas (estados hiperfinos, rotacionales, vibracionales). En este amplio contexto la finalidad de este proyecto de investigación es desarrollar un análisis teórico-computacional de la dinámica rotacional y/o vibracional de la molécula en presencia de diferentes tipos de radiación. Nuestra meta es llevar a cabo un análisis minucioso de propiedades y fenómenos físicos relacionados tanto con la estructura como con la dinámica de moléculas sometidas a radiación. Nuestro principal aporte consiste en analizar moléculas de interés experimental, KRb por ejemplo, con el fin de obtener conclusiones sobre las condiciones y parámetros que definen la radiación a usar en el control de los estados internos de la molécula. Esperamos que paralelamente esto nos permita dar una visión general sobre la viabilidad de control y medida sobre moléculas polares, como KRb. Estudios previos nos han permitido analizar la espectroscopia vibracional de la molécula KRb en su estado fundamental y primeros estados electrónicos excitados, usando potenciales numéricos disponibles en la literatura, los cuales presentan una alta precisión que nos permite mostrar una correspondencia casi exacta con los espectros experimentales. Ahora, en un siguiente paso se hace esencial un estudio minucioso de los espectros rotacionales, con el ánimo de estudiar la dinámica molecular bajo la radiación de microondas, o incluso, incluir la estructura hiperfina si utilizamos radiofrecuencia. Para la realización de los cálculos se cuenta con la combinación de métodos analíticos y numéricos, para algunos cálculos que involucran la dinámica de unos 100 estados acoplados o menos, se puede recurrir simultáneamente al software Mathematica, lo cual enriquece la capacidad de análisis. Discusiones entre los colaboradores del proyecto y con pares internacionales expertos en el área de control cuántico, átomos y moléculas frías, de España, Francia, Alemania, nos aportarán ideas, y facilitarán la autoevaluación de los logros de la investigación. Finalmente, esperamos que los resultados del presente análisis queden plasmados en un artículo que reúna las principales conclusiones y aportes del estudio realizado. La experiencia nos ha mostrado que estudios como este, los cuales acerca la brecha entre propuestas teóricas y realizaciones experimentales resultan de gran impacto en la comunidad científica.
"Predicción de un esquema de transferencia óptica hacia el estado base ro-vibracional de moléculas diatomicas ultrafrías"
2013-2014
La manipulación de moléculas por medio de campos externos requiere descripciones y cálculos muy precisos de la estructura molecular. El estudio teórico sobre la posibilidad de utilizar láser de femto-segundos en los procesos de foto-excitación, que buscan obtener moléculas alcalinas diatómicas en su estado fundamental absoluto, es una exploración original, y permitirá, por primera vez, obtener conclusiones relevantes sobre el uso de trenes de pulsos ultrarrápidos en este proceso. El objetivo de este proyecto es predecir valores para las tasas de formación de dímeros alcalinos ultra fríos, empezando desde los constituyentes atómicos a través de diferentes mecanismos de interacción con radiación electromagnética. El conocimiento de estos mecanismos es esencial para muchos experimentos. Nos concentraremos especialmente en estudiar las moléculas de LiCs, KRb, NaCs, RbCs. Predecir para ésta moléculas rutas ópticas que le permitan a la molécula llegar a su estado base absoluto. Algunos potenciales moleculares y otras cantidades como momentos de transición dipolar han sido calculados por varios grupos usando cálculos ab initio corregidos por medio de ajustes a datos experimentales. Con estos datos nos encontramos en capacidad de calcular con alta precisión, las energías y las correspondientes funciones de onda de todos los niveles vibracionales, e incluso algunos estados del continuo importantes en los procesos de foto-asociación. Para estos cálculos se usa el método llamado Mapped Fourier Grid Hamiltonian Representation (MFGHR) con uno o varios potenciales moleculares de estados electrónicos de interés. Las transiciones inducidas por la interacción con el láser son calculadas por medio de la solución del problema dependiente del tiempo. En esta investigación varias hipótesis concernientes a la dependencia del momento de transición dipolar o el acople spin-órbita con la distancia internuclear son usadas y puestas a prueba.
“Laser y luz en nuestra vida”
Código: 825-2010. 2010-2012
Actividad de investigación, desarrollo y extensión universitaria para la celebración de los 50 años de la invención del láser, Financiada por OSA & SPIE. Se planificaron, para diseñaron y construyeron experimentos, las guías de trabajo, las presentaciones y los materiales de estudio, para promover la ciencia óptica y el láser y sus aplicaciones en distintos entornos.
Esta acción se centró en tres tipos diferentes de sujetos, con tres actividades diferentes:
a) Los niños de escuela primaria, de cuatro (4) escuelas elegidas en zonas vulnerables de nuestra ciudad. Se realizó un programa interactivo de ciencias básicas utilizando la óptica como una herramienta útil para aprender sobre la naturaleza y sobre algunas propiedades fundamentales de nuestro mundo. Utilizamos el láser (láseres de estado sólidos: punteros) para ilustrar estas propiedades, y también algunos elementos de ópticos para realizar las observaciones experimentales básicas.
b) Los profesores de ciencias de primaria y secundaria, que trabajen en zonas vulnerables de nuestra región. La actividad fue un Taller para Profesores de Ciencias que se ofreció cinco (5) veces durante el período LaserFest, abierto a 16 personas cada vez y trató sobre los fundamentos de la Óptica, la Astronomía y la Física de la Atmósfera. La Óptica fue el tema principal de estas actividades y el láser jugó el papel principal.
c) Los profesionales y estudiantes de las áreas bio-médicas. Se realizaron tres (3) presentaciones sobre las aplicaciones del láser en Medicina y Biología sobre los conceptos fundamentales del funcionamiento del láser y sobre sus propiedades, prestando especial atención a los efectos del láser sobre los tejidos biológicos y materiales y sobre la seguridad del láser.
Además se diseñó y publicó una cartilla para profesores de ciencias y un pequeño folleto para profesionales de Salud que trabajen con láseres.
“Moléculas y Materiales solares en película delgada espectralmente adaptados por una incorporación determinista de nano cristales”
2008 - 2013
Proyecto de óptica teórica se inició en cooperación con los Prof. Hernando García (Universidad Southern Illinois, Edwardsville) y Ramki Kalyanaraman (Universidad de Tennessee, Knoxville) y se continúa en colaboración con grupo de Física Teórica del Estado Solido y el de grupo de Compuestos Heterocíclicos interesados en los cálculos y la síntesis de estructuras adecuadas para mejoramiento de dispositivos de energía solar. El Silicio Multicristalino (MC-Si), en forma de película delgada sobre sustratos de vidrio, es ampliamente considerado como una de las formas más rentables de lograr las millas cuadradas de paneles solares necesarios para estos propósitos. Sin embargo, la tecnología de película delgada tiene una desventaja inherente con respecto a la tecnología de células solares de Si en bloque, principalmente a causa de la mala absorción de Si para longitudes de onda mayores que 600 nm. Por lo tanto, la idea central de esta propuesta es aumentar la eficiencia de captura la luz de las películas delgadas de MC-Si mediante el uso de nanopartículas (PN), espectralmente activas, es decir, partículas que absorben fuertemente en longitudes de onda > 600nm. En este proyecto se modeló un material semiconductor mejorado con nanopartículas y haciendo uso de la aproximación dipolar y la teoría del campo medio se obtuvo una expresión analítica para la permitividad efectiva de un sistema matriz semiconductora + Nps con una cantidad general de inclusiones, con la cual se puede estudiar el proceso de absorción de luz por el sistema para el caso particular de una matriz de silicio policristalino y dos tipos diferentes de inclusiones (Ag y Cu). Ahora los esfuerzos se dirigen a la síntesis molecular y al cálculo de estructuras y efectos desde los fundamentos cuánticos.
“Efectos de la irradiación láser de baja potencia sobre tejidos blandos y cultivos celulares específicos de células normales y de cáncer”
Código: 7745. 2008 – 2010
En este proyecto se realizó el estudio de los efectos de la radiación láser, de varias longitudes de onda, y de luz casi monocromática producida por diodos emisores de luz (LED) sobre cultivos celulares específicos de células normales y anómalas (cáncer) y sobre las propiedades ópticas de algunos de los tejidos biológicos (blandos) que las contienen.
Los efectos biológicos y fisiológicos se estudiaron determinando los efectos de irradiaciones controladas sobre el crecimiento de cultivos celulares mediante métodos estándar de fluorescencia (Test XTT) y mediante observación microscópica de posibles efectos morfológicos sobre las células irradiadas. Se desarrolló un protocolo para los cultivos y para la irradiación de los mismos. Por otra parte, se estudiaron los efectos ópticos de absorción y fluorescencia, producidos o inducidos por irradiación con láser o con LED, mediante la medición directa de los espectros de transmitancia y de fluorescencia de las muestras irradiadas, utilizando un espectrofotómetro miniatura, acoplado con fibra óptica.
Para el estudio de las propiedades de la propagación de la luz producida con fuentes láser en los tejidos blandos, fue diseñado un protocolo basado en fotografía digital y procesamiento de imagen sobre modelos físicos de estos sistemas, que permite estudiar la propagación de la luz en medios turbios y determinar las longitudes de atenuación. Estos estudios de imagen digital fueron complementados con medidas espectrales de transmitancia y reflectancia, tanto para haz colimado como para difuso, empleando para estas últimas mediciones un juego de esferas integradoras, se realizaron además medidas del índice de refracción de los modelos utilizando un refractómetro Abbe estándar. Finalmente, se hizo un modelado de los tejidos biológicos y se simuló la propagación de la luz en medios turbios.
En este proyecto se formularon y terminaron tres (3) trabajos de grado en Física, tres (3) trabajos de especialización en Ortodoncia, tres (3) trabajos de Investigación de Maestría en Física. Se formularon y está en desarrollo un (1) trabajo de Doctorado en Física. Se hicieron trece (13) presentaciones en eventos, cuatro (4) de ellas en eventos internacionales. Se escribieron cinco (5) publicaciones internacionales, cuatro ya publicadas y dos nacionales, sometidas a evaluación.