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Materiales que revolucionan la industria

27/03/2014

La industria y la investigación son las aliadas eternas, porque el empeño por encontrar la fórmula mágica del material perfecto no cesa. Hoy, se utiliza la nanotecnología y se apuesta por preservar el medio ambiente aunque el objetivo continúa siendo el mismo de siempre: avanzar y dar respuesta a los desafíos industriales.

Tenemos tanto que hacer y estamos tan ocupados con nuestra vida diaria que no nos paramos a observar con detenimiento lo que nos rodea.En casa, en la oficina, en una tienda, en un restaurante o en el cine, en cualquier parte estamos rodeados de materiales. Lo más sorprendente es que dependemos de ellos absolutamente para todo. Nos hacen la vida mucho más fácil pero no somos conscientes.

Nuestros antepasados ya los emplearon para modernizarse: la piedra, el bronce, el hierro, etc., y los investigadores del siglo XXI no cejan en el empeño de encontrar el material perfecto.Y es que la evolución exige mejorar. Los fabricantes, los medios de transporte aéreo, marítimo y terrestre, los equipos de producción y almacenamiento energéticos, la industria o la medicina llaman a la puerta de los laboratorios dado que necesitan nuevos materiales.

Eso sí, con mayores prestaciones, que cuesten poco a la hora de fabricarlos, que no contaminen, que sean multifuncionales... En muy poco tiempo las cosas han cambiado mucho. Hoy los investigadores cuentan con herramientas que les permiten visualizar cada material a escala atómica y molecular. También pueden modificar su estructura haciendo posible que adquieran propiedades impensables.

Es la nanotecnología, es decir, la tecnología de los materiales y de las estructuras en la que el orden de magnitud se mide en nanómetros –medida de longitud que equivale a la milmillonésima (10-9) parte del metro.

Es este el camino que han tomado muchos de los proyectos de investigación que se han emprendido en España; Materiales compuestos que permitirán hacer de enlace entre los biológicos y los inorgánicos; materiales híbridos basados en la combinación de cerámicas, metales y polímeros;materiales porosos que a su vez tienen propiedades eléctricas, ópticas o magnéticas; materiales nanoparticulados con excelentes prestaciones para aplicaciones de grabación magnética de datos o para ser usados en especificaciones biomédicas; materiales con propiedades ópticas a medida, etc.

De la óptica a la aviación

El Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) está coordinando el proyecto europeo IP Nanoker, a través del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. El objetivo es desarrollar, hasta 2009, nuevos materiales cerámicos nanoestructurados y nanocompuestos (nanomateriales) con posibles aplicaciones en la biomedicina, la óptica o la industria aeronáutica.

En el proyecto participan 25 entidades de 11 países (principalmente de Italia, Francia, España y Alemania) y dispone de un presupuesto de 20 millones de euros. José Serafín Moya, director de la división de Materiales Particulados de este Instituto de Ciencia de Materiales, explica las líneas principales de investigación y los beneficios que para la industria pueden suponer sus resultados:

Un avance para la medicina sería un nuevo material nanoestructurado para la fabricación de prótesis.El utilizado hoy es de alúmina y circona y tiene una duración de unos diez años, a partir de ese tiempo se producen grietas e incluso una fractura, lo que obliga a la sustitución del transplante, es decir, supone otra operación para el paciente”.

La importancia de este nuevo material radicará en que las prótesis de cadera, rodilla, dentales, etc. no sufren problemas de envejecimiento superando sin fracturarse el tiempo de vida de quien las use.Ahora mismo, esta investigación se encuentra en su etapa de desarrollo. Las compañías fabricantes se están poniendo de acuerdo para la producción de los prototipos. “Para llegar hasta aquí han pasado seis años y aún queda una década para que formen parte del ámbito diario de la medicina”, subraya Moya. Y así sucede con cualquier investigación, donde no hay lugar para la impaciencia y las prisas porque todo debe seguir su curso.

El profesor Antonio Hernando es director del Instituto de Magnetismo Aplicado, Laboratorio Salvador Velayos. Sostiene que la nanotecnología es el ámbito de investigación de vanguardia hoy día.Y cuenta cómo, entre otros trabajos, en su Instituto están centrados en la po sible utilidad de las nanopartículas como material de almacenaje y de memoria en discos duros.

Teniendo en cuenta esto, dentro del campo de la medicina,“nos hemos centrado en encontrar un material nuevo a partir de nanopartículas magnéticas capaz de aumentar la densidad de información de los discos de memoria”.

El beneficio –sigue- estaría en la posibilidad de inyectarlo en la sangre y dirigirlo por campos magnéticos hacia el lugar concreto donde se quiere que actúe para liberar un fármaco”, precisa Antonio Hernando. A lo que añade: “Se trataría de una quimioterapia selectiva que evitaría los efectos nocivos de la tradicional”.

Infrarrojos sin obstáculos

Una segunda aventura del proyecto IP Nanoker,y que está a punto de concluir,es la fabricación de ventanas transparentes para el paso de infrarrojos fabricadas a partir de alúminas nanoestructuradas reforzadas.

Este nuevo material supondrá un gran avance para la industria aeronáutica y la aeroespacial, principalmente, aunque también será una solución para la iluminación de grandes espacios como los estadios, donde se trabaja con lámparas a 1.500ºC que además soportan enormes choques térmicos.

El material que se emplea hoy día dura muy poco y no tiene una resistencia mecánica tan fuerte. El entorno es extremo, y más aún en el espacio. Las pequeñas partículas al chocar contra la ventana pueden rayarla e inutilizarla y por tanto no dejar pasar el infrarrojo”, detalla Serafín Moya.Actualmente, tal como asegura este investigador, ya hay una compañía a la espera de una confirmación definitiva para ponerse manos a la obra y fabricar los prototipos.

La industria aeroespacial y la aeronáutica no son las únicas que se verán favorecidas. Otro proyecto, también dentro de IP Nanoker, se ha centrado en el desarrollo de un óxido nanometal (compuesto de partículas nanometálicas) de una gran dureza y resistencia que puede sustituir al diamante para cortar roca y óxidos y a los carburos y nitruros para cortar acero.

Incide Serafín Moya en que “se trata de una nueva generación de herramientas de corte más baratas y con mayor versatilidad, precisión y rapidez, que incrementarán la producción y perfeccionarán el corte. Serán una revolución para el mecanizado del acero y para la industria de la automoción”.

Arcillas antibacterias

Ya fuera del proyecto IP Nanoker, pero basándose del mismo modo en la nanotecnología, en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid están involucrados en la búsqueda de un valor añadido para la sepiolita, una arcilla utilizada básicamente como absorbente de las literas de los gatos y de la que España tiene el 90% de los depósitos mundiales.

En este proyecto, financiado por el Estado, el Instituto está trabajando junto a la compañía madrileña Tolsa, una de las principales productoras. “La sepiolita se compone de fibras microcristalinas con una longitud de unas dos micras.En ellas hemos introducido en su interior nanopartículas metálicas de cobre, que le confieren capacidad bactericida, y plata o níquel, que aportan una capacidad óptica para el cambio de color o magnética, entre otras”, constata Serafín Moya.

En palabras de este investigador, las ventajas son tremendas. Por ejemplo, en su modalidad bactericida, si se añade a la pintura con la que se va a pintar un hospital puede ser un protector muy poderoso contra la legionela.Además, es un material inorgánico que no se disuelve y permanece a lo largo del tiempo sin degradarse.

Aluminio como acero

En otro entorno muy distinto al del Instituto de Ciencia de Materiales también están enfrascados en la nanotecnología. Se trata del CIDETEC (Centro de Tecnologías Electroquí- micas), desde el que José Antonio Díez, director del departamento de Tratamientos Superficiales, nos traslada al campo del aluminio. “En nuestro caso estamos trabajando en la introducción de partículas de composite en los poros del anodizado de aluminio para modificar su superficie”, matiza Díez.

El objetivo es convertir al aluminio en un material muy competitivo frente al acero, ya que el hecho de poder embutir en sus poros nanopartículas metálicas o cerámicas hace que adquiera otras propiedades como una elevada resistencia a la corrosión o una superficie con un coeficiente de fricción muy bajo. “La principal ventaja es que los costes de producción del aluminio son inferiores que los del acero”, destaca José Antonio Díez.

El arte del recubrimiento

Pero la nanotecnología no es lo único que está en boga en el ámbito de la investigación,el arte de recubrir un material con otro distinto para dotarle de nuevas capacidades está mostrando sus frutos. José Antonio Díez asegura que la industria demanda materiales multifuncionales.

En CIDETEC hemos desarrollado nanorecubrimientos de plata con una conductividad eléctrica superior a los convencionales”, comenta. Además, “estamos estudiando recubrimientos basados en composites que aportan una elevada resistencia al desgaste y a la corrosión que podrían usarse en la fabricación de moldes de inyección y en matricería”.

Y van más allá.Mediante pulsos de corriente es posible obtener recubrimientos o materiales con propiedades avanzadas, modificando el tipo de estructura cristalina. Por su parte, el centro europeo de investigación y tecnología de Boeing (Boeing Research & Technology Europe, S.L.), situado en Madrid, está investigando junto con la compañía española Inasmet alternativas al cromo y al plomo que se utilizan en los revestimientos de materiales aeronáuticos para evitar la corrosión en las aeronaves.

Se han conseguido resultados prometedores en cuanto a un nuevo compuesto que puede sustituir al cromo. Este compuesto está actualmente en proceso de ser patentado. Javier Belzunce, de la división de Materiales Metálicos de la Fundación ITMA (Instituto Tecnológico de Materiales), expone la opción de utilizar recubrimientos para el acero de modo que sean éstos los que entren en contacto, por ejemplo, con la atmósfera corrosiva.

Asegura, además, que existen recubrimientos que pueden hacer de barrera térmica, actuando como aislante. “Se podría recubrir el acero con óxido de circonio, que tiene una baja conductividad térmica, con el fin de trabajar a temperaturas muy elevadas”, sostiene Javier Belzunce.

En la Fundación ITMA también se están estudiando diversas fórmulas protectoras de la corrosión a temperatura ambiente para las chapas de los automóviles a fin de alargar su vida a más de diez años. La solución será la de mejorar tanto los pretratamientos de las chapas de acero como los recubrimientos metálicos y los orgánicos (pinturas).

Bajo la misma premisa –añade Belzunce–, estamos trabajando en lacas y barnices para la hojalata que se emplean en las latas de conserva, que a su vez no pueden contaminar los alimentos”.

 

PLÁSTICOS `BIO´

La nanotecnología, el aprovechamiento de los residuos, los recubrimientos... son sólo algunos de los caminos elegidos por el arte de la investigación. Y es que en AIMPLAS, Instituto Tecnológico del Plástico, han apostado por otras rutas: la búsqueda de materiales biodegradables o compostables, que además provienen de fuentes renovables limitando la dependencia del petróleo y reduciendo las emisiones de CO2 en la producción y en su gestión posterior.

Están centrados en dar una solución ecológica a los residuos plásticos sustituyendo las materias primas por compuestos que se degradan por sí solos sin dañar el medio ambiente. Fuentes de este instituto explican cómo para la fabricación de envases biodegradables pueden emplearse almidones, que se encuentran en la patata, el maíz, el trigo o el guisante, y el ácido poliláctico (PLA), que se consigue del ácido láctico obtenido del azúcar.

Actualmente AIMPLAS está coordinando la iniciativa de I+D PICUS, un proyecto CRAFT financiado por la Comisión Europea bajo el VI Programa Marco, que tiene como objetivo principal desarrollar una fibra de plástico 100% biodegradable para ser utilizada en cuerdas trepadoras para cultivos de invernadero y redes de embalaje. La nueva red tendrá las propiedades físicas y mecánicas que se requieren para un uso y producción óptimos, pero sufrirá una biodegradación completa en condiciones de compostaje.

Almidón del guisante

Por otra parte, en estos momentos, el centro tecnológico está participando en el proyecto europeo Trigger a fin de desarrollar un plástico biodegradable para la agricultura a partir del almidón del guisante como materia prima base. Este plástico se empleará para acelerar el proceso de maduración de los productos agrícolas, aumentar la eficacia de los fertilizantes y ahorrar parte del agua de riego.

La innovación esencial reside en que su velocidad de biodegradación puede ser controlada por el propio agricultor. Durante el tiempo en que el cultivo necesite la protección del plástico, dicha velocidad será muy lenta, preservando así sus propiedades mecánicas. No obstante, una vez termine su función, el agricultor activará el mecanismo de biodegradación.

El film (lámina de plástico) lleva incorporado un agente iniciador y acelerador que se activará al ponerse en contacto con el agua. Una vez deja de ser útil, se tritura en el campo con la maquinaria adaptada para ello, entrando en contacto con la tierra y la humedad, y activándose el proceso de biodegradación.

 

PODEROSO ACERO

La industria siderúrgica produce miles de aceros distintos pero esto no significa que esté todo inventado ni que el mercado se conforme con este multitudinario abanico.

En la Fundación ITMA (Instituto Tecnológico de Materiales), Javier Belzunce, de la división de Materiales Metálicos, está empeñado en desarrollar nuevos aceros, que conservando todas sus propiedades, tengan una mayor resistencia mecánica. “Esta característica mejorada aligeraría cantidad de estructuras que hoy se emplean en automóviles, oleoductos, etc.”, asegura Belzunce.

Soportar 825ºC

Para encontrar este nuevo acero hay varios caminos: la modificación del tratamiento térmico, del proceso de fabricación (por laminación o forja) o de la composición química. A través de estas variables, en la Fundación ITMA también están inmersos en la obtención de un acero más resistente a elevadas temperaturas que podría ser realmente útil en cualquier proceso de generación de energía, desde un motor hasta una central térmica.

Las nuevas tecnologías de generación eléctrica aportan un mayor rendimiento –expone Javier Belzunce– pero exigen una temperatura mucho más elevada y que cada componente soporte una corrosión y oxidación durante bastantes años”. Los productos basados en el acero, prosigue el investigador “dependiendo de diversos factores, soportan altas temperaturas hasta un límite: por ejemplo, 800ºC. En estas condiciones, dar con la fórmula de un acero que aguante los 825ºC sería un avance enorme

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EL RESIDUO ESTÁ DE MODA

De ser el abandonado por excelencia, el residuo se ha convertido en materia prima. Es una vuelta más de tuerca de la investigación. Ángel Palomo, responsable del departamento de Síntesis del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja del CSIC, afirma que los residuos de diferentes industrias (aluminio, papel, etc.) se pueden incorporar al proceso de fabricación de cementos y hormigones Pórtland.

Se contribuye así a eliminar toda la contaminación que generan este tipo de desechos que en ocasiones no tienen otra salida”, matiza Ángel Palomo. Por su parte, en el departamento de Refractarios y Cerámica de la Fundación ITMA (Instituto Tecnológico de Materiales) están centrando sus investigaciones en el aprovechamiento de residuos industriales para obtener materiales con valor añadido.

Roberto Caballero, responsable de este departamento, da más detalles: “A partir de ciertos residuos, por ejemplo las escorias de fundición de aluminio, es posible extraer la alúmina (óxido de aluminio) residual para utilizarla después como materia prima de la industria cerámica. Posibilidades: la fabricación de placas cerámicas para obra civil o su combinación con otros elementos con el propósito de obtener productos sintéticos de alto valor añadido”.

 

UN CEMENTO PARA EL SIGLO XXI

Un material que actúa como el cemento y su producción no contamina. Ésta es una de las metas que se han alcanzado en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja del CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas). Según Ángel Palomo, responsable del departamento de Síntesis de este Instituto, “es un nuevo material cementante de activación alcalina y no tiene absolutamente nada que ver con el cemento Pórtland tradicional. Sin embargo, posee unas características similares que además se han mejorado”.

Esto quiere decir que genera propiedades mecánicas, tiene la capacidad de fraguar y endurecer más rápido, se adhiere con mayor facilidad a los aceros de refuerzo y a los áridos, es más resistente al fuego, etc. Pero la mayor ventaja es que en su produc ción no se emite CO2 a la atmósfera.

Ángel Palomo recuerda que “la industria del cemento en España es responsable de un 5% de las emisiones. En 2005 esta industria ha tenido que pagar en concepto de tasas al Estado unos diez millones de euros por exceso de emisiones, lo que irá en aumento debido al auge de la construcción”.

No contaminante

El único paso pendiente para que las constructoras comiencen a utilizar este material cementante es que una cementera decida frenar su producción habitual e iniciar la nueva. Porque otra ventaja es que no haría falta modificar ni un ápice las estructuras de las fábricas existentes.

La diferencia está en las materias primas, ya que un 80% son cenizas volantes –procedentes de las centrales termoeléctricas que usan carbón como combustible– y un 20% compuestos alcalinos. “Además de no contaminar, en la fabricación se aprovecha un subproducto industrial. Hoy día, ya se emplean estas cenizas volantes pero en una proporción mucho más reducida”, detalla Ángel Palomo.

En el Eduardo Torroja también están trabajando en otros cementos, los belíticos, en los que igualmente se encuentra como componente la ceniza volante, pero ésta, tras un proceso hidrotermal, hace que el cemento adquiera una composición belítica (la belita es un mineral compuesto básicamente de sílice y calcio). En este caso, el objetivo continúa siendo la protección del medio ambiente porque a la hora de la fabricación se emite menos CO2 a la atmósfera.