Cuando las cuerdas dañadas cambian de color

Capas muy finas con gran efecto

07.01.2021 - Suiza

Las fibras de alto rendimiento que han sido expuestas a altas temperaturas suelen perder sus propiedades mecánicas sin ser detectadas y, en el peor de los casos, pueden desgarrarse precisamente cuando las vidas dependen de ellas. Por ejemplo, las cuerdas de seguridad utilizadas por los bomberos o las cuerdas de suspensión para cargas pesadas en las obras de construcción. Los investigadores de Empa han desarrollado ahora un revestimiento que cambia de color cuando se expone a altas temperaturas por fricción o fuego.

El bombero corre hacia el edificio en llamas y busca sistemáticamente habitación por habitación a las personas que necesitan ser rescatadas. Atado a él hay una cuerda de seguridad en el otro extremo de la cual sus colegas están esperando afuera en frente del edificio. En caso de emergencia, si pierde el conocimiento por cualquier razón, pueden sacarlo del edificio o seguirlo para rescatarlo. Sin embargo, si esta cuerda ha sido expuesta a un calor excesivo durante las operaciones anteriores, puede romperse. Esto significa peligro de muerte! Y hasta ahora no ha habido forma de notar este daño en la cuerda. Un equipo de investigadores de Empa y ETH Zúrich ha desarrollado un revestimiento que cambia de color debido a la reacción física con el calor, indicando así claramente si una cuerda seguirá proporcionando la seguridad que promete en el futuro.

Los investigadores del ETH Zurich y de Empa desarrollaron un sistema de revestimiento en 2018 como parte de una tesis de maestría, que el equipo de Empa pudo ahora aplicar a las fibras. "Fue un proceso que implicó varios pasos", dice Dirk Hegemann del laboratorio de Fibras Avanzadas de Empa. Los primeros revestimientos sólo funcionaban en superficies lisas, por lo que el método tuvo que ser adaptado primero para que también funcionara en superficies curvas. Empa tiene un amplio know-how en el recubrimiento de fibras - Hegemann y su equipo ya han desarrollado fibras conductoras de la electricidad en el pasado (ver enlaces). El llamado proceso de pulverización también se ha aplicado ahora con éxito al último recubrimiento.

Capas muy finas con gran efecto

Se requieren tres capas para asegurar que la fibra cambie de color cuando se calienta. Los investigadores aplican plata a la propia fibra, en este caso PET (es decir, poliéster) y VectranTM, una fibra de alta tecnología. Esta sirve como un reflector, en otras palabras, como una capa base metálica. A continuación, una capa intermedia de óxido de nitrógeno de titanio asegura que la plata permanezca estable. Y sólo entonces sigue la capa amorfa que causa el cambio de color: Germanio-antimonio-telurio (GST), que tiene sólo 20 nanómetros de espesor. Cuando esta capa se expone a temperaturas elevadas, se cristaliza, cambiando el color de azul a blanco. El cambio de color se basa en un fenómeno físico conocido como interferencia. Dos ondas diferentes (por ejemplo, la luz) se encuentran y se amplifican o debilitan mutuamente. Dependiendo de la composición química de la capa sensible a la temperatura, este cambio de color puede ajustarse a un rango de temperatura entre 100 y 400 grados y así adaptarse a las propiedades mecánicas del tipo de fibra.

Soluciones a medida

Las posibles áreas de aplicación de las fibras que cambian de color siguen abiertas, y Hegemann está actualmente buscando posibles socios para el proyecto. Además del equipo de seguridad para los bomberos o los montañeros, las fibras también pueden utilizarse para cuerdas de carga en instalaciones de producción, en obras de construcción, etc. En todo caso, la investigación sobre el tema dista mucho de ser completa. En la actualidad, todavía no es posible almacenar las fibras durante largos períodos de tiempo sin perder su funcionalidad. "Lamentablemente, los materiales de cambio de fase se oxidan en el curso de unos pocos meses", dice Hegemann. Esto significa que el correspondiente cambio de fase - la cristalización - ya no tiene lugar, incluso con el calor, y la cuerda pierde así su "señal de advertencia". En cualquier caso, se ha demostrado que el principio funciona, y la durabilidad es un tema para futuras investigaciones, dice Hegemann. "Tan pronto como los primeros socios de la industria registren su interés en nuestros propios productos, las fibras pueden ser optimizadas aún más según sus necesidades".

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