Materiales más duraderos gracias a la ciencia
Los investigadores desarrollan una molécula que reduce el desgaste
Un equipo de los Laboratorios Nacionales Sandia desarrolló una molécula que ayuda a cambiar la forma en que algunos materiales reaccionan a las fluctuaciones de temperatura, lo que los hace más duraderos. Se trata de una aplicación que podría utilizarse en todo tipo de materiales, desde fundas de plástico para teléfonos hasta misiles.
Chad Staiger, Kenneth Lyons, Erica Redline, Alana Yoon y Eric Nagel, de izquierda a derecha, forman parte de un equipo de investigación que ayuda a que los materiales sean más duraderos en los Laboratorios Nacionales Sandia.
Craig Fritz/Sandia National Laboratories
Eric Nagel mostrando el último lote de material desarrollado por su equipo en los Laboratorios Nacionales Sandia mientras trabajan para reproducir una molécula que cambia el comportamiento tradicional de los polímeros.
Craig Fritz/Sandia National Laboratories
Los polímeros, que incluyen diversas formas de plásticos, están formados por muchas moléculas más pequeñas, unidas entre sí. Esta unión los hace especialmente resistentes y un producto ideal para proteger componentes delicados en una gran variedad de artículos. Pero con el tiempo, el uso y la exposición a distintos entornos, todos los materiales empiezan a deteriorarse.
De caliente a frío, de frío a caliente, el gran problema
Uno de los principales factores de deterioro de los materiales es la exposición repetida de temperaturas cálidas a frías y viceversa. La mayoría de los materiales se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían, pero cada material tiene su propio ritmo de cambio. Los polímeros, por ejemplo, son los que más se dilatan y contraen, mientras que los metales y la cerámica son los que menos.
Erica Redline, científica de materiales que dirige el equipo, explica que la mayoría de los objetos se componen de más de un tipo de material.
"Por ejemplo, un teléfono tiene una carcasa de plástico, una pantalla de cristal y, en su interior, los metales y cerámicas que componen los circuitos", explica Redline. "Todos estos materiales están atornillados, pegados o unidos de alguna manera y empezarán a expandirse y contraerse a ritmos diferentes, ejerciendo tensiones entre sí que pueden hacer que se agrieten o deformen con el tiempo".
Redline dijo que seguía oyendo la misma queja de los muchos clientes de Sandia.
"Siempre hablan de problemas de desajuste por expansión térmica y de lo difícil que resulta trabajar con los sistemas existentes debido a todo el relleno que tienen que añadir para compensar", explica Redline.
Así nació la idea de Redline.
"Pensé: ¿qué pasaría si encontrara el material perfecto?
Redline cree que lo ha conseguido, con la ayuda de su equipo Chad Staiger, Jason Dugger, Eric Nagel, Koushik Ghosh, Jeff Foster, Kenneth Lyons, Alana Yoon y los colaboradores de la alianza académica, el profesor Zachariah Page y la estudiante de posgrado Meghan Kiker.
La molécula en acción
El equipo modificó una molécula para que pudiera incorporarse fácilmente a un polímero y cambiar sus propiedades.
"Se trata de una molécula única que, cuando se calienta, en lugar de expandirse se contrae al cambiar de forma", explica Redline.
"Cuando se añade a un polímero, hace que éste se contraiga menos, alcanzando valores de expansión y contracción similares a los de los metales. Tener una molécula que se comporta como un metal es bastante extraordinario".
Posibilidades infinitas
Esta molécula podría utilizarse de infinitas maneras. Los polímeros se utilizan como recubrimientos protectores en electrónica, sistemas de comunicaciones, paneles solares, componentes de automoción, placas de circuitos impresos, aplicaciones aeroespaciales, sistemas de defensa, suelos y mucho más.
"La molécula no sólo resuelve problemas actuales, sino que abre significativamente el espacio de diseño para más innovaciones en el futuro", afirma Jason Dugger, ingeniero químico de Sandia que ha estado estudiando las posibles aplicaciones, especialmente en sistemas de defensa.
Otra de las claves de este invento es que puede incorporarse a distintas partes de un polímero en diferentes porcentajes, en impresión 3D.
"Se podría imprimir una estructura con determinados comportamientos térmicos en una zona, y otros comportamientos térmicos en otra, para adaptar los materiales a las distintas partes del artículo", explicó Dugger.
Otro beneficio es ayudar a reducir el peso de los materiales eliminando los rellenos pesados.
"Nos permitiría hacer las cosas mucho más ligeras para ahorrar masa", dijo Dugger. "Eso es especialmente importante a la hora de lanzar un satélite, por ejemplo. Cada gramo que podamos ahorrar es enorme".
Redline dijo que también se ha puesto en contacto con ella un formulador de epoxi que cree que esta molécula podría incorporarse a los adhesivos.
El siguiente paso
El equipo sólo ha creado esta molécula en pequeñas cantidades, pero están trabajando para encontrar una forma de ampliar la producción de modo que otros investigadores de Sandia puedan probar la molécula para adaptarla a las necesidades de las misiones.
Chad Staiger, químico orgánico de Sandia, fabrica la molécula. Dice que tarda unos 10 días en fabricar entre 7 y 10 gramos.
"Por desgracia, la síntesis de esta molécula es larga", explica Staiger. "Más pasos equivalen a más tiempo y más dinero. Se suelen ver síntesis de cinco o seis pasos en materiales de mayor valor, como los productos farmacéuticos. En el caso de los polímeros, cuanto más barata, mejor para su adopción a gran escala".
El equipo está trabajando para reducir los pasos utilizando 100.000 dólares de financiación a través del programa de maduración tecnológica de Sandia, que ayuda a preparar productos para el mercado.
"Mi papel es ver si hay una manera más fácil de hacerlo a nivel comercial", dijo el postdoctor Eric Nagel. "No existe nada parecido. Estoy entusiasmado con las posibilidades de esta tecnología y las aplicaciones que podría tener".
"Es algo fenomenal y muy abierto", afirma Staiger.
Dugger está de acuerdo: "El cielo es el límite".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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