Centros de investigación científica e ingeniería de materiales

Los Centros de Investigación de Materiales, Ciencia e Ingeniería ( MRSEC , por sus siglas en inglés) son centros de investigación universitarios que cuentan con el apoyo del Programa MRSEC de la División de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (NSF, por sus siglas en inglés). Los centros apoyan la investigación interdisciplinaria en ciencia de los materiales. ^[1] Los MRSEC son un componente importante de la cartera de investigación de los centros de la NSF. Los MRSEC fueron establecidos por la NSF en 1994 ^[1] pero sus raíces se remontan a la era posterior al Sputnik. Estos centros exigieron cambios significativos en la realización de la investigación y la educación sobre materiales. ^[2]

Dado que gran parte de la información sobre los MRSEC actuales está disponible en sitios web ^[1], solo se ofrece una breve descripción general del programa actual. El objetivo principal de este artículo es revisar los aspectos históricos de los MRSEC y la importancia de su impacto en la investigación y la educación sobre materiales en los EE. UU.

La investigación en los MRSEC se lleva a cabo en grupos de investigación interdisciplinarios (GRI), equipos de seis a una docena o más de investigadores. El tamaño de los MRSEC varía de dos a cuatro GRI. Los temas de los GRI dentro de un centro pueden centrarse en temas científicos o tecnológicos estrechamente relacionados o pueden cubrir áreas de investigación distintas. ^[1]

Los premios del MRSEC tienen una duración de seis años y se celebran concursos cada tres años. Los concursos están abiertos a todas las instituciones académicas de los EE. UU. Solo se otorga un premio por institución. ^[1] Los niveles de financiación para un determinado MRSEC actualmente oscilan aproximadamente entre varios millones de dólares al año. Cada centro tiene una flexibilidad considerable para distribuir sus fondos de acuerdo con su propuesta de investigación y educación propuesta y aprobada. Los MRSEC típicos asignan fondos para apoyar "proyectos semilla", ^[1]

Los MRSEC cuentan con asociaciones con otras instituciones académicas, laboratorios nacionales y la industria, así como con colaboraciones internacionales. Los centros también cuentan con amplias instalaciones experimentales y computacionales, que generalmente son accesibles para usuarios externos. ^[1]

Un mandato clave para estos centros es el desarrollo de la fuerza laboral. El componente más grande de la financiación del centro apoya a los estudiantes (de pregrado y posgrado) y a los investigadores posdoctorales. Además, los MRSEC tienen actividades de extensión que involucran a estudiantes de K-12 y la educación pública a través de colaboraciones con museos y otras instituciones públicas. ^{[1] [3]}

El estudio moderno de los materiales se entrecruza con muchas de las disciplinas científicas tradicionales, entre ellas la física, la química, la ingeniería y, cada vez más, las biociencias y las matemáticas. Hasta mediados del siglo XX, estas diversas disciplinas abordaban el estudio de los materiales con sus propias metodologías distintivas. Las colaboraciones interdisciplinarias, especialmente en las instituciones académicas, no eran la norma. Las excepciones del pasado fueron los enfoques colaborativos exitosos que condujeron a los intensos desarrollos tecnológicos durante la Segunda Guerra Mundial, incluidas las aplicaciones militares y pacíficas de la producción de energía nuclear. ^[4]

A finales de la década de 1950, el gobierno de Estados Unidos aumentó su apoyo a la investigación interdisciplinaria y colaborativa en las instituciones académicas. El lanzamiento del satélite espacial ruso Sputnik el 4 de octubre de 1957 tuvo un profundo impacto en la forma en que se realizaba la investigación científica y tecnológica en Estados Unidos. Se fundaron dos nuevas agencias: la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPA, más tarde DARPA ) dentro del Departamento de Defensa. ^[4] La NASA debía definir la exploración espacial apoyada por Estados Unidos. La ARPA se encargó de manera más amplia de la tecnología y la ciencia, a menudo con posibles aplicaciones militares. Además, la Ley de Educación de Defensa Nacional de 1958 buscó aumentar el número de ingenieros, científicos y matemáticos capacitados. ^[4]

El entusiasmo posterior al Sputnik por una mayor inversión en investigación científica condujo a una recomendación más amplia en marzo de 1958 para coordinar la investigación de materiales en los Estados Unidos por parte del Comité Científico y Asesor del Presidente Eisenhower (PSAC). Un informe posterior titulado "Fortalecimiento de la ciencia estadounidense" fue presentado al Presidente Eisenhower en diciembre de 1958. ^[4] Este informe condujo, por Orden Ejecutiva del Presidente Eisenhower del 13 de marzo de 1959, a la formación del Consejo Federal para la Ciencia y la Tecnología. Una de las primeras acciones de este consejo fue la creación de un "Comité Coordinador de Investigación y Desarrollo de Materiales" (CCMRD), presidido por John W. Williams, Director de Investigación de la Comisión de Energía Atómica (AEC). El resultado final fue la creación de tres Laboratorios Interdisciplinarios (IDL) con sede en universidades a mediados de 1960 bajo la supervisión de la ARPA. ^{[5] [2]}

La idea de un laboratorio interdisciplinario en ciencias del estado sólido y de los materiales ya había demostrado ser sumamente exitosa en laboratorios industriales (como los Laboratorios Bell y otros), lo que condujo, por ejemplo, al desarrollo del transistor y el láser. La creación de tales laboratorios en un entorno académico surgió naturalmente de las demandas de la era posterior al Sputnik de una fuerza laboral científica numerosa y altamente capacitada. ^[4]

Los MRSEC evolucionaron a partir de los Laboratorios Interdisciplinarios (IDL) iniciados por el Departamento de Defensa en 1960. ^{[5] [2]} La creación de tres Laboratorios Interdisciplinarios, en la Universidad de Cornell, la Universidad de Pensilvania y la Universidad Northwestern, fue anunciada por ARPA el 11 de julio de 1960. ^[4] Los contratos exigían que estas universidades "establecieran un programa de investigación de materiales interdisciplinario y proporcionaran el personal y las instalaciones necesarias para la realización de investigaciones en la ciencia de los materiales..." ^[2] Al año siguiente (1961) se crearon ocho IDL adicionales: ^[2] la Universidad Brown, la Universidad de Chicago, Harvard, la Universidad de Maryland, el Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Universidad de Carolina del Norte, la Universidad de Purdue y la Universidad de Stanford. En 1962 se añadió un duodécimo IDL en la Universidad de Illinois, que fue administrado por la Comisión de Energía Atómica (AEC). Posteriormente, hubo tres contratos más de la AEC y dos contratos a través de la NASA. ^[2] El papel de la AEC en el establecimiento de una comunidad fuerte de investigación de materiales era bien conocido desde el advenimiento de los reactores nucleares y la importancia de los materiales en el costo, la eficiencia y la seguridad de los reactores. ^[5] Ya en 1955, John von Neumann , reconocido matemático y colaborador del Proyecto Manhattan, en su papel de comisionado de la AEC y miembro del Comité Asesor General (GAC) de la AEC, respaldó firmemente un instituto centrado en los materiales en un entorno académico. ^[5]

El impacto de los IDL en la formación de los estudiantes fue significativo. En 1969 se habían otorgado más de 360 ​​nuevos doctorados. Un informe de la Academia Nacional de Ciencias ^[6] concluyó que estos programas basados ​​en centros fueron fundamentales para definir la "ciencia e ingeniería de materiales" como una nueva actividad interdisciplinaria, lo que se evidenció en un rápido aumento de los departamentos de ciencia de materiales entre 1960 y 1970 y posteriormente. Además de la construcción de nuevas infraestructuras, estos centros de excelencia llevaron a la formación no sólo de científicos de materiales, sino también de físicos, químicos, ingenieros y otros profesionales. ^{[5] [2]}

El estudio de la Academia Nacional ^[6] señaló que, si bien los IDL se consideraban un éxito, había margen para el crecimiento de las colaboraciones interdisciplinarias entre profesores de distintos departamentos universitarios. Sin embargo, se reconoció que la financiación conjunta en bloque y el uso conjunto de instalaciones experimentales compartidas por estudiantes y profesores de diversos departamentos habían plantado las semillas para una mayor interdisciplinariedad en la investigación de materiales. ^{[5] [2]}

A finales de 1969, una enmienda a la Ley de Autorización Militar, patrocinada por el senador Mike Mansfield , impuso restricciones a la financiación de la investigación básica a largo plazo por parte de las agencias del Departamento de Defensa, incluidas ARPA/DARPA. ^{[7] [8]} (ARPA se cambió a DARPA en 1972). En consecuencia, en 1970 se tomó la decisión de transferir los IDL a la Fundación Nacional de la Ciencia. ^[2] La subvención de IDL de tipo bloque para investigación multidisciplinaria e instalaciones compartidas significaría un cambio claro con respecto al enfoque de financiación de la NSF en ese momento, que era el apoyo de subvenciones predominantemente pequeñas para un solo investigador en una disciplina en particular. Después de una revisión en profundidad por parte de la NSF del programa IDL, se recomendó una transferencia de los 12 IDL existentes en ese momento a la NSF. Sin embargo, la transferencia vino con varias disposiciones críticas importantes. Estas incluían lo siguiente: ^[2]

"Los laboratorios, ahora rebautizados como 'Laboratorios de Investigación de Materiales', conservarían una financiación en bloque (o 'básica') administrada localmente destinada a 'facilitar la investigación en ciencia e ingeniería de materiales que es difícil o inviable de llevar a cabo con la financiación tradicional de la investigación individual'. Lo más importante es que el nuevo componente añadido por la NSF fue que 'la excelencia científica se considera una condición necesaria, pero ya no suficiente, para calificar para el apoyo básico de los MRL'. Además, los MRL serían evaluados por su capacidad para fomentar 'proyectos coherentes, multidisciplinarios y de múltiples investigadores que requieran la experiencia de dos o más disciplinas relacionadas con los materiales'. Estos llamados grupos de impulso son el corazón de la financiación básica actual de los MRL; en el mejor de los casos han logrado una transformación en la forma en que se realiza la investigación de materiales en las universidades y en la forma en que se lleva a cabo la educación de posgrado". ^[2]

La aceptación por parte de la NSF de los nuevos laboratorios de materiales en 1972 condujo a la creación de la División de Investigación de Materiales (DMR). Su cartera inicial consistió en el programa MRL, así como en programas de investigadores individuales estrechamente relacionados con la ciencia de los materiales que provenían de otras partes de la NSF. Inicialmente, el programa MRL representaba aproximadamente el 40% del presupuesto de la DMR. En 1985, con el crecimiento de los programas de investigadores individuales y de grupos pequeños, el programa MRL estaba financiado a un nivel de aproximadamente el 20% del presupuesto total de la DMR. ^[2]

Entre 1972 y 1985 se añadieron varios LMR adicionales y se eliminaron gradualmente algunos de los centros existentes. La siguiente tabla resume esta información: ^[9]

CUADRO 1 Laboratorios interdisciplinarios (IDL) y laboratorios de investigación de materiales (MRL) 1960-1996. Los laboratorios se identificaron como IDL entre 1960 y 1972 y como MRL a partir de 1972. Los laboratorios que dejaron de funcionar en 1994 y 1996 fueron elegibles para participar en la competencia con otras instituciones para los nuevos Centros de investigación científica e ingeniería de materiales (MRSEC) en 1994 y 1996, respectivamente. ^[9]

Los logros técnicos del MRL son significativos y se han detallado en varios estudios. ^{[5] [2] [10]} Otro impacto importante ha sido el cambio cultural en las universidades estadounidenses sobre cómo se podría realizar la investigación a través de los límites departamentales tradicionales. Esta tendencia fue iniciada por los IDL pero fortalecida en gran medida por el programa MRL debido a las nuevas pautas de la NSF sobre los requisitos de interdisciplinariedad. Una nueva generación de estudiantes se capacitaría en un entorno altamente colaborativo e interdisciplinario y las experiencias de los programas IDL/MRL en los campos de las ciencias de los materiales y la materia condensada serían el campo de pruebas para otros esfuerzos de tipo centro en una amplia gama de campos. ^{[5] [2]}

A mediados de los años 1980 se produjo la convergencia de una serie de tendencias favorables para el establecimiento de actividades basadas en centros de la NSF en una amplia gama de campos. Existía un fuerte interés en las inversiones gubernamentales en ciencia básica que podrían aprovecharse mediante fondos de contrapartida de la industria y otras fuentes. Además, se valoraba ampliamente el papel de los equipos multidisciplinarios en la realización de investigaciones y la formación de estudiantes. ^[5]

La primera iniciativa de la NSF basada en nuevos centros fue la creación de los Centros de Investigación en Ingeniería (Engineering Research Centers, ERC) en 1985. Aunque el papel de los 25 años previos de financiación de los laboratorios de materiales en la preparación de las universidades para aceptar un papel más amplio en la realización de investigaciones interdisciplinarias fue decisivo para la creación de nuevos tipos de centros, esta conexión histórica no fue ampliamente apreciada. Tanto la NSF como la Oficina de Política Científica y Tecnológica consideraron la creación de los ERC como la nueva iniciativa principal en 1985 para aprovechar los fondos de la NSF. La siguiente descripción del anuncio del programa ERC en 1985 es esclarecedora: ^{[4] [11]}

"George A. Keyworth II, asesor científico del presidente Reagan y director de la Oficina de Política Científica y Tecnológica , se refiere a la creación de los ERC por parte de la Fundación Nacional de la Ciencia como: 'la cosa más importante que hemos hecho como administración para aumentar la eficiencia y la eficacia de los dólares federales para I+D'. ^{[4] [11]} Dijo que los centros atienden una necesidad ampliamente reconocida en varios campos de la ciencia y la tecnología: "La continua expansión de las fronteras en esos campos se vio limitada por la dificultad de reunir equipos multidisciplinarios para trabajar en los problemas. Nuestras universidades están, justificada y comprensiblemente, estructuradas para realizar investigaciones disciplinarias. Por otro lado, cada vez más nos encontramos como una nación que se enfrenta a la solución de problemas que tienen soluciones basadas en la técnica. Necesitamos exponer a nuestros jóvenes a un entorno de resolución de problemas... Estos centros -yo preferiría llamarlos Centros de Ciencia y Tecnología- son mecanismos multidisciplinarios mediante los cuales los químicos, físicos, neurobiólogos, ingenieros, etc., pueden reunirse y resolver problemas apasionantes, intelectualmente exigentes y del mundo real". ^{[4] [11]}

William O. Baker señaló que los comentarios anteriores sobre el potencial económico de los ERC son casi los mismos que los que describían los IDL originales a principios de los años 1960. Baker concluye que "es realmente reconfortante encontrar un acuerdo tan actual sobre el concepto que ha involucrado a una parte tan significativa de nuestro mejor talento académico". ^[4]

Los primeros seis premios del ERC se otorgaron en 1985. Estos premios son generalmente por cinco años con una renovación de otros cinco años posible para un período total de financiación de 10 años. ^[12] En el mismo año, la NSF otorgó premios de cinco años para cinco centros de supercomputación e hizo planes para el desarrollo de un programa para Centros de Ciencia y Tecnología (STCs) que en última instancia abarcaría todas las áreas de los programas de la NSF. Los primeros 11 STCs se establecieron en 1988. ^[9] Los 13 centros que forman parte de la clase de STCs de 2013 cubren una amplia gama de temas que van desde estudios del cerebro y la inteligencia hasta el modelado de procesos atmosféricos y el estudio de materiales cuánticos. ^[13]

Debido a las preocupaciones sobre el impacto de la financiación de los centros en las becas para investigadores individuales, la Junta Nacional de Ciencias exigió que las becas de los centros no se puedan renovar sin una nueva competencia abierta. ^[9] Desde el establecimiento de los ERC y los STC, se han establecido una gran cantidad de otros centros en todas las disciplinas principales de la NSF y ahora representan un elemento esencial de la cartera de financiación de la NSF. ^[9]

La mayoría de los MRL se iniciaron entre 1972 y 1984, con sólo unas pocas incorporaciones posteriores. El concurso de MRL de 1992 condujo a la creación de un único centro nuevo: el MRL de la Universidad de California en Santa Bárbara. La falta de nuevas becas, junto con el requisito de volver a competir por parte de la Junta Nacional de Ciencias, proporcionó un impulso para el desarrollo del programa de Centros de Investigación de Materiales, Ciencia e Ingeniería (MRSEC) de la NSF. Anteriormente, los MRL, una vez financiados, podían recibir apoyo de forma continua sin necesidad de competir con otros centros candidatos. El programa MRSEC limita las becas a un período de tiempo fijo, actualmente seis años. Es posible obtener apoyo adicional, pero sólo sobre la base de una nueva propuesta que compita a nivel nacional con todos los demás solicitantes. ^{[1] [9]}

La transición de los programas MRL a los MRSEC se produjo a través de dos concursos celebrados en 1993/4 y 1995/96, respectivamente. Los concursos estaban abiertos a todas las instituciones académicas de los EE. UU., incluidas aquellas que contaban con premios MRL vigentes en ese momento. Las instituciones con premios otorgados en el marco del programa Materials Research Group (MRG), que se inició en la NSF en 1984, eran elegibles para participar en el concurso. Todos los premios MRL y MRG se interrumpieron después de 1996. En total, 10 MRL y 17 MRG participaron en los concursos de 1994-96. Como se ve en la Tabla 2, nueve de los MRL lograron la transición a MRSEC y seis premios MRSEC se otorgaron a instituciones que ya contaban con premios MRG. Es importante destacar que se otorgaron nuevos premios MRSEC a seis instituciones que nunca habían contado con un apoyo sustancial de un centro o grupo grande de la NSF en materia de investigación de materiales. ^[9]

TABLA. Centros de investigación científica e ingeniería de materiales (primavera de 2023). ^[14]

La Academia Nacional de Ciencias publicó en 2007 una evaluación del programa MRSEC. ^[9] El resumen ejecutivo resume el impacto del programa:

"Los premios MRSEC siguen teniendo una gran demanda. La intensa competencia que se genera por ellos dentro de la comunidad indica que se percibe un gran valor". ^[9]

El informe enumera una serie de áreas clave en las que el programa MRSEC tiene un impacto, incluido el suministro de recursos y un entorno que fomente: ^[9]

• investigación interdisciplinaria y colaborativa;
• formación interdisciplinaria para la futura fuerza laboral científica y técnica;
• respuesta rápida a nuevas ideas, incluido el apoyo a proyectos de mayor riesgo que lo que es posible con subvenciones para un solo investigador;
• mayor apoyo institucional, local y/o estatal a la investigación de materiales;
• atracción de estudiantes de alta calidad y profesores jóvenes;
• Desarrollo de infraestructura útil para organizar y gestionar instalaciones experimentales y computacionales y de extensión educativa e industrial.

Entre las recomendaciones del informe figura un aumento del tamaño de las subvenciones a los centros, lo que permitiría disponer de recursos adecuados para la educación y la divulgación, garantizando al mismo tiempo que no se comprometa el apoyo a las actividades de investigación. Además, el estudio de la NAS recomendó fortalecer los aspectos cooperativos de los MRSEC y continuar el progreso logrado en el pasado hacia la creación de una red nacional de cooperación de centros. ^[1] El informe concluye que una red de este tipo, una vez plenamente establecida, "fortalecería la ciencia y la ingeniería de materiales en los Estados Unidos como disciplina y como factor de competitividad estadounidense". ^[9]

• Bryant, Clyde L. (agosto de 2002). "De cerca: Centros de investigación científica e ingeniería de materiales: Red nacional de Estados Unidos para la ciencia de los materiales" (PDF) . Boletín MRS . 27 : 637–645. doi :10.1557/mrs2002.201.

• Fundación Nacional de Ciencias—Centros de investigación científica e ingeniería de materiales