Investigación

Cinco líneas en treinta y ocho años, de la calorimetría adiabática a la emisividad infrarroja. Comparten una costumbre: que los datos decidan la simetría, y que el cálculo sea reproducible.

Mi investigación empezó en 1988 en el laboratorio de calorimetría adiabática de la Facultad de Ciencias, creció hacia la cristalografía de los óxidos con estructura de perovskita a través del Bilbao Crystallographic Server y de las fuentes europeas de neutrones y sincrotrón, y desde 2018 vive en el grupo Thermomat, que codirijo, alrededor del emisómetro HAIRL. Lo que sigue es el registro: las líneas, los experimentos en grandes instalaciones, los proyectos y grupos que los pagaron, y los contratos con la industria. Las publicaciones están en su propia página, generada a partir de un registro sincronizado con OpenAlex.

Calorimetría adiabática y transiciones de fase estructurales (1988–1995)

Mi trabajo doctoral, con Ángel López-Echarri e Isabel Ruiz-Larrea, versó sobre las transiciones de fase sólido–sólido de cristales ferroicos, ferroelásticos e inconmensurables medidas por calorimetría adiabática: [N(CH₃)₄]₂ZnBr₄ y [N(CH₃)₄]₂ZnI₄, tiourea, cloruro cálcico de betaína dihidratado, N(CH₃)₄CdBr₃, Cs₂ZnI₄ y Cs₂CdBr₄. El instrumento era un calorímetro adiabático automático entre 20 y 370 K, construido y programado en el laboratorio. El método separaba las contribuciones armónica y anarmónica de la red con datos Raman, elásticos y de dilatación térmica, de modo que la entropía de cada transición quedaba asignada sin ambigüedad y su carácter orden–desorden o desplazativo, resuelto. Varias estancias en la Universidad de Burdeos con Michel Couzi aportaron la parte Raman. Los resultados aparecieron en physica status solidi (b), Thermochimica Acta, Solid State Communications, Physical Review B, Phase Transitions, Ferroelectrics y Journal of Physics: Condensed Matter, y la tesis se leyó en 1994.

Pseudosimetría y predicción de transiciones de fase (1996–2001)

Con Mois I. Aroyo y J. Manuel Pérez-Mato desarrollé un procedimiento sistemático para encontrar estructuras pseudosimétricas en las bases de datos cristalográficas: determinar los supergrupos minimales de un grupo espacial, aplicar sus operaciones adicionales a la estructura conocida y medir cuánto se aleja la estructura transformada de la original. Una distancia pequeña revela una fase de simetría superior ligeramente distorsionada y, por tanto, una probable transición de fase a mayor temperatura. Aplicado a las estructuras P2₁2₁2₁ y Pnma de la Inorganic Crystal Structure Database (Physical Review B 1996, Acta Crystallographica B 1999, Ferroelectrics 1997 y 2000), el método recuperó los compuestos con transiciones conocidas y propuso decenas de candidatos nuevos, incluidos ferroeléctricos desplazativos. Se convirtió en el programa PSEUDO del Bilbao Crystallographic Server, y su lógica es el origen de la línea siguiente: la familia Sr₂MWO₆ se eligió porque la pseudosimetría decía que debía transformarse.

Perovskitas dobles y cristalografía de modos (2003–2019)

Desde 2003 la línea se asentó en los óxidos con estructura de perovskita doble y triple, A₂BB′O₆ y sus parientes, que se distorsionan respecto de la estructura cúbica ideal por giros de los octaedros, orden catiónico y desplazamientos fuera del centro, y cuyas propiedades magnéticas, dieléctricas y de transporte dependen de esas distorsiones: los wolframatos Sr₂MWO₆ y Ca₂MWO₆, los antimoniatos A₂MSbO₆ con M desde el escandio hasta los lantánidos, los rutenatos SrLnMRuO₆ y La₂NiRuO₆, los teluratos Sr₂MTeO₆ y sus disoluciones sólidas, las perovskitas triples ALn₂CuTi₂O₉, Na₀.₅K₀.₅NbO₃ y La₂CoMnO₆. Para cada familia las preguntas fueron las mismas: la estructura a temperatura ambiente y el grado de orden catiónico, la secuencia de transiciones inducidas por la temperatura, típicamente P2₁/n → I4/m → Fm3̄m o a través de R3̄ e I2/m, y los modos que las gobiernan. Los datos vinieron de rayos X de laboratorio, radiación sincrotrón en el ESRF, neutrones en el ILL, SINQ, FRM II y el Helmholtz-Zentrum Berlin, espectroscopia Raman a alta temperatura y alta presión con Bouchaib Manoun y Peter Lazor, y medidas magnéticas.

El método que enlaza el trabajo es el análisis de modos de simetría, o cristalografía de modos: describir una estructura distorsionada no por coordenadas atómicas sino por las amplitudes de los modos adaptados a la simetría de la fase madre, como implementa AMPLIMODES en el Bilbao Crystallographic Server. Mi contribución propia, desarrollada sobre K₀.₅Na₀.₅NbO₃ y las familias Sr₂MM′O₆ con M′ = Sb, W, Mo, Ru, Te, es un protocolo de refinamiento parametrizado: los datos de alta resolución de un miembro de la familia fijan las relaciones entre las amplitudes de los modos, y esas relaciones permiten refinar los datos de rayos X de laboratorio, que por sí solos no resuelven elementos ligeros ni giros sutiles, hasta una solución con sentido físico. Reduce la necesidad de experimentos caros de alta resolución y hace utilizables los datos preliminares. Esta línea produjo cuatro de mis cinco tesis doctorales (Gateshki 2003, Faik 2009, Iturbe-Zabalo 2012, Orayech 2015), unos cuarenta artículos y una colaboración duradera con Marruecos, con Abdeslam El Bouari, Bouchaib Manoun y Abdessamad Faik, que continúa hoy con la serie Sr₂(Co,Fe,Ni)TeO₆ en Dalton Transactions (2022, 2023).

Propiedades radiativas térmicas de materiales (2018–)

En la última década mi actividad se ha desplazado a las propiedades termofísicas a alta temperatura y al comportamiento radiativo infrarrojo de materiales para la energía, en Thermomat, el grupo de investigación en propiedades termofísicas de materiales de la EHU, que codirijo. El grupo opera HAIRL, un radiómetro infrarrojo de alta precisión construido en casa: emisividad espectral direccional de 0,83 a 25 μm, desde temperatura ambiente hasta 1000 °C, en atmósfera controlada, con un presupuesto de incertidumbre completo. Mi parte del trabajo está tanto en el instrumento y sus datos como en las muestras: la actualización del emisómetro, el control de temperatura en cascada sin modelo publicado en IEEE Transactions on Control Systems Technology, el método de medida y el presupuesto de incertidumbre actualizados en Metrologia, el marco «fer» para el registro FAIR de resultados experimentales trazables en IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, y EKHI, la base de datos abierta de propiedades ópticas y radiativas térmicas de sólidos descrita en Scientific Data e indexada por emissivity.org. Los materiales van desde aceros en oxidación, aleaciones de alta entropía y materiales para fusión nuclear hasta superficies texturizadas por láser y recubrimientos selectivos para energía solar de concentración, en estrecha colaboración con CIC Energigune, Tecnalia, Petronor, ArcelorMittal y ESS Bilbao, y con socios académicos en el extranjero.

Los mismos años abrieron una segunda vertiente energética con CIC Energigune y Abdessamad Faik: nanofluidos de sales de nitrato fundidas para el almacenamiento de energía térmica en centrales solares de concentración, la mejora de su capacidad calorífica y conductividad térmica, la estabilidad de las dispersiones y la corrosión del acero al carbono en contacto con ellas. Fue la quinta tesis doctoral (Nithiyanantham 2019) y cinco artículos en Solar Energy, Solar Energy Materials and Solar Cells, Journal of Energy Storage y Applied Thermal Engineering, con un sexto sobre almacenamiento termoquímico en sales dobles hidratadas.

Computación en la enseñanza de la física

La quinta línea empezó como una forma de enseñar termodinámica y se convirtió en investigación. Los cuadernos Jupyter escritos en euskera son el cuaderno de laboratorio de una asignatura teórica: los estudiantes deducen, calculan y representan en el mismo documento, y la asignatura lleva un diario de lo hecho cada día. MinervaLab, un laboratorio interactivo de simulación de transiciones de fase de primer orden y del fluido de van der Waals, se construyó como trabajo de fin de grado bajo mi dirección, se publicó bajo licencia GPL y es la base de las contribuciones de didáctica de la física que he presentado en CINTE 2016, CSEDU 2017, GIREP 2018 y la bienal de 2019 de la Real Sociedad Española de Física, y del proyecto de innovación docente sobre el cuaderno de laboratorio electrónico que dirigí en la EHU. Las mismas herramientas responden ahora a otra pregunta: qué dicen los datos sobre cómo rinden los estudiantes, desde los registros de la propia asignatura hasta el examen de acceso de física en las comunidades autónomas.

Experimentos en grandes instalaciones europeas

Diecinueve experimentos entre 2007 y 2011 en el Institut Laue-Langevin de Grenoble (instrumentos D1B, D2B, D20 y D15), la fuente de espalación SINQ del Paul Scherrer Institut (HRPT), el reactor FRM II de Garching (SPODI), el Helmholtz-Zentrum Berlin (E9) y el ESRF (BM25 SpLine), dieciséis de ellos como investigador principal. El tiempo de haz en estas instalaciones se concede por evaluación internacional entre pares, con tasas de éxito cercanas a una de cada dos en el ILL y cupos más estrictos para grupos extranjeros en las demás; valorado al coste por día de operación que publican las propias instalaciones, unos 12 000 €, el tiempo concedido equivale a medio millón de euros. Cada propuesta fue un estudio de estructuras y transiciones de fase de la línea de perovskitas dobles, y sus datos alimentaron las tesis y artículos anteriores.

Papel: IP, investigador principal de la propuesta; coinvestigador en las tres propuestas lideradas por Vicente Recarte (Universidad Pública de Navarra).

Proyectos competitivos y grupos de investigación

Más de cuarenta proyectos competitivos y grupos de investigación reconocidos a lo largo de la carrera, y más de sesenta entradas si se cuentan las acciones financiadas y los contratos: primero como miembro del grupo de física estructural dirigido por J. Manuel Pérez-Mato y Gotzon Madariaga, desde 2018 en Thermomat, y como investigador principal del nodo EHU del proyecto ELKARTEK de almacenamiento, de las propuestas de grandes instalaciones anteriores y del proyecto de innovación docente sobre el cuaderno de laboratorio electrónico. Se listan primero los grupos reconocidos y después los proyectos, en orden cronológico inverso. Las cantidades son las concedidas a la EHU tal como aparecen en los certificados del Vicerrectorado de Investigación.

Grupos de investigación reconocidos

Proyectos y acciones financiadas

Contratos con la industria

Contratos de investigación y consultoría del grupo Thermomat en los que participo, todos sobre emisividad infrarroja y medida termo-óptica.

Comunidad

Un centenar de contribuciones a congresos desde 1990, con conferencias invitadas en la Gordon Conference sobre orden y desorden en sólidos (New London, 1994), el taller de Cracovia sobre análisis de simetría en difracción (1996), el simposio de Hünfeld sobre la predictibilidad de las estructuras cristalinas (1997) y, en los años de la emisividad, THERMEC, EUROMAT, el MRS Spring Meeting, MMC y EOSAM. Revisor de una veintena de revistas indexadas de ciencia de materiales, termofísica, cristalografía e instrumentación, con más de cien revisiones completadas; editor asociado de Energies. Miembro del comité organizador de las dos escuelas internacionales del Bilbao Crystallographic Server (2009, 2011) y alumno de la escuela FullProf del ILL, del curso Hercules y de la European School on Multiferroics. Vicepresidente de la sección local de la Real Sociedad Española de Física.

Contribuciones a congresos listadas en el dosier y en el CV de 2022