Materiales nanocompuestos de inspiración biológica

Contar con materiales estructurales ligeros y sostenibles es clave para lograr avances en aplicaciones que van de los vehículos eléctricos y los implantes biomédicos a las turbinas eólicas. Un impedimento importante es la falta de resistencia mecánica inherente a los materiales porosos. Un grupo de investigadores inició el proyecto financiado con fondos europeos «Advanced composites inspired by nature» (ACIN) para desarrollar nuevas técnicas de procesamiento con vistas a obtener materiales nanocompuestos con base cerámica de inspiración biológica que replicaran los mecanismos de tenacidad que se dan en la naturaleza con propiedades mecánicas sin precedentes.

Los investigadores se centraron en una combinación de las técnicas de congelación de fundición o «freeze casting» y sinterización asistida por corriente de plasma pulsada. La congelación de fundición ha adquirido interés en los últimos años, particularmente para obtener materiales cerámicos y materiales compuestos híbridos cerámico-poliméricos.

En este sencillo proceso, primero se congela una suspensión y luego se sublima el agua para obtener estructuras porosas, algo que puede hacerse con un control estructural excelente. La sinterización asistida por corriente de plasma pulsada es un nuevo y revolucionario proceso de consolidación de polvo a alta velocidad aprovechando el autocalentamiento que tiene lugar en el interior del polvo. En comparación con los métodos de sinterización convencionales, requiere menores temperaturas durante períodos de tiempo más cortos.

Los investigadores estudiaron en primer lugar los efectos de las condiciones de procesamiento y la composición de la suspensión sobre las arquitecturas de los armazones hechos de materiales con base cerámica y de nanocarbono preparados mediante congelación de fundición. Los conocimientos adquiridos les guiaron en el desarrollo de métodos para alinear las capas (láminas) cerámicas durante la congelación. El trabajo realizado con cerámicos y carbono nanoestructurado condujo al desarrollo de estructuras de carburo de silicio porosas de altas prestaciones con distintas morfologías. Los investigadores desarrollaron también un nuevo método para fabricar materiales compuestos de cerámica y carbono altamente estructurados y conductores de la electricidad.

Su atención se centró luego en el uso de la sinterización asistida por corriente de plasma pulsada para aumentar la densidad de esos materiales compuestos de cerámica y carbono. El equipo consiguió obtener estructuras de «ladrillo y mortero» nacaradas con ladrillos cerámicos y capas finas de carbono. Por último, los investigadores desarrollaron complejas redes celulares basadas en grafeno cuyas propiedades físicas se podían modificar a voluntad. El equipo investigó su potencial como materiales nanocompuestos similares a la piel, sensibles y conductores de la electricidad, con capacidad de autorreparación.

Los avances de inspiración biológica realizados dentro del proyecto ACIN en cuanto a materiales compuestos con base cerámica y de nanocarbono porosos y altamente controlados y su procesamiento allanan el camino para la obtención de sistemas multifuncionales con alta resistencia mecánica para distintas aplicaciones. Podrían ayudar a dar respuesta a algunos de los obstáculos más importantes en la producción y el transporte de energía, los implantes ortopédicos o incluso una futura piel electrónica.