Permitiría mejorar la seguridad de los autos
Buenos Aires-(Nomyc)-La ciencia de los materiales está en plena rdefininición de las capacidades de todo tipo de industrias, lo que se ve de manera evidente en el sector de la construcción, con ejemplos como la espuma mineral sin cemento que permite imprimir columnas y paredes en 3D, pero también en industrias como la aeroespacial o la dedicada a los automóviles.
Estas últimas, podrían ser las grandes beneficiadas de una reciente contribución de investigadores de la Universidad de Texas A&M y con Mohammad Naraghi al frente, como Director del Laboratorio de Materiales Nanoestructurados, un equipo de ingenieros desarrolló “un nuevo material inteligente, un tipo de plástico capaz de deformarse y autorrepararse”.
La clave está en la nanoingeniería, la capacidad para diseñar las propiedades del material desde su estructura molecular, que en este caso ha dado pie a un compuesto plástico avanzado de fibra de carbono bautizado como Copoliéster Termoestable Aromático (ATSP).
En un estudio publicado en las revistas científicas Macromolecules y Journal of Composite Materials, Naraghi y su equipo describen el proceso de fabricación del material, las pruebas a las que se ha sometido y sus propiedades mecánicas, que lo convierten en una solución de futuro con múltiples aplicaciones, desde la fabricación de coches hasta aviones o cohetes espaciales.
“Los ATSP son una clase emergente de vitrimeros que combinan las mejores características de los plásticos tradicionales”, afirma Naraghi en un comunicado de prensa que continúa “cuando se combinan con fibras de carbono resistentes, se obtiene un material que es varias veces más resistente que el acero, pero más ligero que el aluminio”.
Cómo se fabrica: el proceso de fabricación de este material, según describen los investigadores en el artículo, se basa en una metodología diseñada para obtener plásticos avanzados capaces de “recordar” su forma y autorepararse tras sufrir algún daño.
Todo comienza con la selección, en laboratorio, de dos ingredientes químicos principales: ácido p-hidroxibenzoico y dihidroxibifenilo, compuestos de alta pureza que se combinan con un tercer agente, llamado “Anhídrido Acético”, que ayuda a unirlos entre sí y para acelerar la reacción, se añade una pequeña cantidad de ácido sulfúrico concentrado.
La mezcla de estos ingredientes se somete a calor controlado, mediante este proceso, los componentes reaccionan y forman una estructura molecular más grande y compleja, lo que da origen al material polimérico.
Una vez creada esta sustancia en forma de polvo, se compacta y se le da forma utilizando presión y calor y este paso, permite que el material alcance una mayor cohesión interna y que los enlaces químicos dentro del plástico se ajusten para conferirle sus singulares propiedades.
Mediante este proceso de consolidación térmica y presión, se obtienen piezas sólidas y resistentes que, según los autores, pueden tener una vida útil mucho más larga que la de otros materiales.
“En las aplicaciones aeroespaciales, los materiales se enfrentan a tensiones extremas y altas temperaturas”, sostiene Naraghi que agrega “si alguno de estos elementos daña alguna parte de un avión e interrumpe una de sus principales aplicaciones, se podría realizar una autorreparación bajo demanda”.
Esa capacidad para restaurar de manera rápida su integridad estructural hace del ATSP un material muy atractivo no sólo para construir el fuselaje de cohetes y aviones, sino también la carrocería y otras partes de coches y otros vehículos terrestres.
“Gracias a los intercambios de enlaces que se producen en el material, se pueden restaurar las deformaciones de un coche después de una colisión y, lo que es más importante, mejorar significativamente la seguridad del vehículo protegiendo a los pasajeros”, afirma Naraghi.
Más sostenible: se podría pensar que estas capacidades especiales del material también implican una mayor dificultad para reciclarlo una vez acabado su ciclo de vida útil, sino todo lo contrario: es mucho más sostenible, ya que dada su propiedad de autoreparación puede ser aprovechado para nuevos usos sin comprometer su durabilidad ni su resistencia.
“Estos vitrimeros, cuando se refuerzan con fibras discontinuas, pueden someterse a ciclos de nivel: se pueden aplastar y moldear fácilmente para darles una nueva forma, y esto puede repetirse durante muchos, muchos ciclos, sin que la composición química del material se degrade”, prosigue el Director del Laboratorio de Materiales Nanoestructurados.
Para comprobar cómo el ATSP es capaz de cambiar de forma y recuperarse, los investigadores desarrollaron unas pruebas de resistencia especialmente diseñadas para llevar el material hasta el límite.
“Aplicamos ciclos repetidos de cargas de tracción o estiramiento a nuestras muestras, supervisando los cambios en la forma en que el material acumulaba, almacenaba y liberaba la energía de deformación”, asegura Naraghi.
Así, los investigadores descubrieron dos temperaturas clave mediante la aplicación de carga cíclica y la primera es la “temperatura de transición vítrea”, que permite a las cadenas de polímeros moverse con facilidad.
La segunda, la temperatura de vitrificación, es “la temperatura a la que estos enlaces se activan térmicamente lo suficiente como para que se puedan observar intercambios masivos de enlaces que provocan la curación, la remodelación y la recuperación”.
Se repara a sí mismo: para probar la autorreparación, el material fue sometido a pruebas de fatiga, calentándolo de forma intermitente a 160 ºC y los resultados indicaron que las muestras no solo aguantaron cientos de ciclos sin romperse, sino que además aumentaron su durabilidad durante el proceso.
“Al igual que la piel puede estirarse, curarse y volver a su forma original, el material se deformó, se curó y 'recordó' su forma original, volviéndose más duradero que cuando se fabricó originalmente”, señala Naraghi.
Su equipo, en el que también participó Andreas Polycarpou, de la Universidad de Tulsa, probó la integridad mecánica, la recuperación de la forma y la autorreparación del material sometiéndolo a cinco ciclos de tensión seguidos de exposiciones a 280 ºC.
Tras los dos primeros ciclos de daño y reparación, el material recuperó casi por completo su resistencia original, aunque sin embargo, en el quinto ciclo la eficiencia de la curación disminuyó hasta aproximadamente un 80 por ciento debido a la fatiga.
“Mediante imágenes de alta resolución, observamos que el compuesto tras el daño y la curación era similar al diseño original, aunque el daño repetido causó un desgaste mecánico localizado atribuido a defectos de fabricación”, indica Naraghi y a pesar de esto, la estabilidad química y las propiedades de autorreparación se mantuvieron consistentes durante los cinco ciclos.
“También observamos que no se producía degradación térmica ni descomposición en el material, lo que demuestra su durabilidad incluso después de sufrir daños y repararse”, concluye.
Nomyc-10-9-25
