De les vidrieres de les catedrals gòtiques al Boeing 787: la revolució de les nanopartícules

La llum del Sol no destruïx el color de les vidrieres de les catedrals gòtiques. I la raó és molt diminuta. Els colors del vidre resulten de la incorporació de nanopartícules, d'una dimensió ínfima, de diferents materials, com a or, plata i altres metalls. Són partícules de menys de 100 nm, és a dir, fins a 100 000 vegades menors que el diàmetre d'un cabell humà.

La meravella dels canvis de color davant la rosassa de la catedral de Lleó, per posar un exemple, té a veure amb la idea audaç de mesclar amb el vidre encenalls, làmines mínimes de materials, que a escala nanomètrica es combinen generant un material nou, un nanocompuesto de propietats diferents, que, en este cas, fa que el color resistisca el sol al llarg dels segles.

El calze de Lycurgus i el acer de Damasc so també exemples de l'ús de materials nanocompuestos, sense que els seus artesans conegueren llavors que estaven modificant les propietats dels materials per a crear una cosa nova. Hui sí que sabem el que fem.

Mesclar components diminuts de diferents materials ha suposat una revolució en la ciència dels materials i en els nostres dies. Així, seguint la mateixa “recepta” que el vidre acolorit de les catedrals gòtiques, ha sigut possible crear nous materials amb propietats increïbles que ja són presents en els cotxes, els avions i el plàstic dels envasos, només per esmentar tres exemples en els quals es troben dins de la nostra vida quotidiana.

Argila, arena i palla

El concepte de material compost, una combinació de dos o més materials sense que es produïsca reacció química entre ells, és molt antic. Podríem remuntar-nos al Antic Egipte (s. VII a.e.c.) per a trobar un dels primers: la tova, un material constituït d'argila i arena mesclada amb palla. La tova es modelava en forma de rajola i, una vegada sec, s'emprava com a peça de construcció.

En el cas de la tova és possible diferenciar visualment els materials que el formen, l'argila i la palla. No obstant això, en el cas dels materials nanocompuestos que es desenvolupen actualment els components es combinen a escala nanomètrica i resulta impossible distingir visualment un component d'un altre.

La revolució dels nanocompuestos

El gran desenvolupament experimentat en esta mena de materials en les ultimes dècades es deu a les excel·lents propietats que presenten els nanocompuestos de matriu polimèrica.

Un material compost consta de la unió de dos materials de diferent naturalesa per a aconseguir propietats combinades, millorades o noves. A un dels materials li diem matriu i a l'altre, reforç. Quan al material compost se li afig el prefix nano vol dir que un dels dos components del material compost, en general el de reforç, té almenys una de les seues dimensions dins de l'escala nanomètrica. És a dir, per davall d'una micra.

Els materials que s'aconseguixen tenen millors propietats tèrmiques, mecàniques i elèctriques que el polímer verge, major resistència al foc o major resistència enfront d'impactes i ratllat.

De la tova als cotxes

La revolució en el desenvolupament dels nanocompuestos de matriu polimèrica en la indústria de l'automoció va començar a principis de la dècada de 1980 en els Laboratoris d'Investigació Central de Toyota. En estos laboratoris es va desenvolupar un sistema per a l'obtenció de nanocompuestos de poliamida (matriu) i montmorillonita (reforç), un silicat d'estructura laminar de la família de les argiles.

La interacció de l'argila a escala nanomètrica amb les fibres del polímer va resultar en la millora de les propietats de tensió i una major resistència a la tracció. Això permet que els cotxes siguen més lleugers, però també més segurs davant un impacte. A més, el material nanocompuesto presentava un major alliberament de la calor que el polímer pur.

Ube Industries, que va ser la primera a posseir esta llicència, va desenvolupar un nanocompuesto de poliamida-argila que va incorporar als dissenys dels seus automòbils. Això li va permetre substituir peces metàl·liques per altres d'un material més lleuger i amb la resistència mecànica adequada.

A partir d'esta primera aportació, es van desenvolupar uns altres nanocompuestos que combinaven un polímer termoplàstic i una argila. Anys més tard, altres empreses de la indústria de l'automòbil com General Motors, van començar a incorporar-los en els seus dissenys.

Els nous avions

A més de la indústria de l'automòbil, en el sector de la aviació també s'estan emprant este tipus de materials.

Els nanocomposites poden oferir una relació resistència-pese molt millor que els metalls, a vegades fins a un 20 % millor. En ser materials més lleugers, contribuïxen a reduir el consum de combustible i d'emissions, així com a evitar problemes de sobrecàrrega.

Entre els nanocomposites empleats en aviació principalment s'empren resines epoxi reforçades amb fibres de carboni, de vidre o d'aramida.

Les propietats que presenten els nanocomposites, com una major lleugeresa o la resistència a altes temperatures, entre altres, han fet que la seua aplicació en la indústria aeroespacial haja augmentat ràpidament en les ultimes dècades. Mentres que el Boeing 777 només estava format per un 12 % de materials compostos, el Boeing 787 es compon en un 50 % de nanocomposites.

Envasos d'aliments

No sols estan en automoció o aeronàutica: els nanocomposites també els podem trobar en altres aspectes de la nostra vida quotidiana com els plàstics de envasat d'aliments.

La pèrdua o guany d'humitat altera els aliments, ja que pot provocar pèrdua de textura, deshidratació o pèrdua de pes. Com a conseqüència, la permeabilitat és una propietat molt important del material d'envasament. En este cas, l'ús de reforços inorgànics com els hidròxids dobles laminars (LDH), argiles aniòniques o argiles sintètiques, d'estructura laminar, li conferixen a la matriu polimèrica propietats de barrera. Això fa possible regular la permeabilitat del material al vapor d'aigua i a l'oxigen, a més de millorar les propietats mecàniques i tèrmiques.

Els LDH modificats també permeten la incorporació de components actius per a obtindre envasos capaços de mantindre o millorar la qualitat dels aliments (envasos actius), i controlar l'estat dels aliments o permetre la seua traçabilitat (envasos intel·ligents).

Així, allò que van aconseguir en les vidrieres de les catedrals gòtiques, o en les espases de Damasc, és hui la base d'una revolució en materials que resistixen no sols als llamps del Sol.

Alexander Misol, Investigador en nanomaterials i materials híbrids, Institut de Ciència de Materials de Madrid (ICMM-CSIC)

Este article va ser publicat originalment en The Conversation. 

Traduït per Àgora CT