Congelar para fabricar: nuevo método de creación de materiales fuertes y ligeros

En el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LNBL) de EEUU, se está desarrollando una técnica para imitar la congelación de fundición que ocurre de forma natural en la naturaleza, y que permite el diseño y la creación de materiales duros, fuertes y de poco peso.

“Nuestra técnica de congelación de fundición bidireccional podría ofrecer una manera efectiva de fabricar nuevos materiales estructurales, en particular aquellos materiales avanzados, como los composites, para los que se precisa un alto nivel de control,” explica Robert Ritchie, director del presente estudio, junto a Antoni Tomsia.

La fuente de inspiración de esta técnica: "las sofisticadas arquitecturas jerarquizadas que encontramos desde la escala nano o microscópica hasta la escala macroscópica, en ciertos materiales naturales. Estos materiales, además, tienen propiedades asombrosas, a pesar de ser porosos y de estar formados por componentes débiles", añade Ritchie.

Dirigiendo partículas

Usando una técnica de congelación de fundición bidireccional, los científicos indujeron el ensamblaje de partículas de cerámica en andamios alineados, a escala de centímetros. Como resultado, obtuvieron estructuras laminales (en capas alternadas) y porosas, similares al nácar.

Estas estructuras se lograron cubriendo un instrumento de laboratorio llamado "dedo frío " (se utiliza para generar superficies frías localizadas) con una cuña de polidimetilsiloxano con diferentes capas. Así fue como se alcanzó la nucleación controlada y el crecimiento de cristales de hielo, durante el proceso de congelación bajo gradientes de temperatura dual.

La naturaleza como fuente de inspiración

La naturaleza, aun trabajando desde una selección de componentes limitados y a una temperatura ambiente, ha aprendido a crear una gran variedad de materiales diversos con increíbles, elegantes y complejas arquitecturas moleculares en estos últimos billones de años. Estos materiales suelen ser fuertes, duros y poco pesados – propiedades que tienden a ser mutuamente excluyentes.

“La increíble habilidad de la naturaleza para combinar propiedades de componentes en un material que actúa mucho que mejor que la suma de sus partes sirve como fuente de inspiración para todo diseñador de materiales,” afirma Ritchie.

“Las estructuras porosas de cerámica, en particular, son prácticas para un amplio abanico de usos, como la ingeniería de tejidos, las espumas, los electrodos de pilas de combustible, los filtros para la purificación de agua, etc", añade el investigador.

Los humanos hemos intentado emular a la naturaleza en la fabricación de materiales a través de diversas técnicas, que hasta ahora han resultado costosas y limitadas. Algunas de estas técnicas pueden también ser negativas para el medioambiente o no proporcionar un control suficientemente preciso de desarrollo de la estructura final.

La técnica empleada en este caso ayuda a superar estas limitaciones. Aunque la congelación de fundición convencional tiene una seria limitación que dificulta la fabricación de estructuras con capas ampliadas, destinadas a aplicaciones más extensas, los científicos parecen haber superado este aspecto.

En la congelación de fundición convencional, el material fundido comienza a congelarse bajo el gradiente de temperatura del dedo de frío. La nucleación del hielo ocurre bajo dicho dedo de frío de forma aleatoria, y se crean múltiples cristales de hielo con varias orientaciones.

La cuña de polidimetilsiloxano evita esto, pues tiene diferentes temperaturas por capas. Así, permite ajustar la tasa de enfriamiento, los dos gradientes de temperatura, en dirección vertical u horizontal. Bajo estas condiciones, el líquido comienza a congelarse de abajo a arriba de la cuña, y los  cristales de hielo crecen en dos direcciones (solo): verticalmente alejándose del “dedo frío “y horizontalmente a lo largo de la cuña de polidimetilsiloxano. El resultado, después de la sublimación y la sinterización, es una estructura laminar a escala de centímetros.
 
Potenciales aplicaciones

Los investigadores de Berkely han testado ya de forma satisfactoria la técnica de congelación bidireccional con partículas de hidroxiapatita, el componente principal del esmalte de los dientes y del mineral óseo.

Creen que, a corto plazo, las aplicaciones más probables para los materiales fabricados con esta técnica sean los implantes médicos, óseos y ortopédicos. Esto es porque el material obtenido es rígido, fuerte y duro y tiene  propiedades mecánicas similares a las del hueso.

Referencia bibliográfica:

Hao Bai, Yuan Chen, Benjamin Delattre, Antoni P. Tomsia, Robert O. Ritchie. Bioinspired large-scale aligned porous materials assembled with dual temperature gradients. Science Advances (2015).