Archivo de enero, 2012

Filtros ultrafinos de carbono

Por Gustavo R. Plaza (Universidad Politécnica de Madrid)

Un tema importante en la investigación actual es el desarrollo de filtros que permitan separar diferentes líquidos o gases, siendo primordial el tratamiento y purificación de agua y también la purificación de disolventes orgánicos en actividades relacionadas con la energía, la industria química o el medioambiente.

En el último número de la revista Science se han publicado dos trabajos que estudian membranas ultrafinas cuyo componente fundamental es el carbono y que actúan como filtros muy selectivos para el agua o para disolventes orgánicos. Las estrategias empleadas en estos filtros son diferentes: en el primer caso el material contiene poros que sólo permiten el paso de la sustancia deseada, y en el segundo la sustancia pasa por difusión a través del material sin poros.

Lámina de óxido de grafeno desarrollada por el grupo del Profesor Geim (C&EN)

El trabajo del grupo del Profesor Izume Ichinose, del National Institute for Materials Science de Japón, muestra el desarrollado de láminas de carbono, de un espesor de unos 20nm (1nm es la millonésima parte de 1mm) con poros de tamaño cercano a 1nm. En el material, algunos átomos de carbono están unidos por enlaces covalentes a cuatro átomos vecinos (como ocurre en el diamante) y otros átomos están unidos a tres átomos (como ocurre en el grafito). Estas láminas permiten el paso de disolventes orgánicos, con flujos del orden de cientos de litros por metro cuadrado y por hora, 1000 veces superiores a los flujos en filtros industriales. El tamaño nanométrico de los poros impide el paso de las moléculas más grandes disueltas en el disolvente. Para obtener las láminas, estos investigadores realizaron un proceso de deposición química de vapor (chemical vapor deposition) de moléculas de acetileno y otros precursores.

 

Representación de una lámina de grafeno, esto es, una lámina formada for átomos de carbono, con un espesor de un átomo.

Independientemente, en la Universidad de Mánchester (Reino Unido), el grupo del Profesor Andre K. Gein ha obtenido láminas de óxido de grafeno con un espesor cercano a 1 micra (una milésima parte de 1mm). El Profesor Gein recibió en 2010 el Premio Nobel de Física por sus trabajos con grafeno (lámina de carbono con espesor de un átomo). Ahora, las membranas micrométricas están compuestas por planos paralelos de óxido de grafeno, y permiten el paso del vapor de agua a través de ellas prácticamente sin oponer resistencia, pero impiden el paso de las demás moléculas que han utilizado los investigadores. Estas láminas son higroscópicas, es decir, absorben agua si la humedad ambiental es elevada, y esta absorción da lugar a una dilatación del material. La sorprendente permeabilidad al paso del agua sólo se observa cuando la humedad ambiental es elevada y los investigadores creen que es debido a que el agua absorbida, que aumenta la distancia entre planos de óxido de grafeno, facilita la difusión de las moléculas de agua.

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La rotura espontánea del vidrio templado

Por Beatriz Sanz , Ing. de Caminos, Canales y Puertos (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

¿Conocemos todo sobre los materiales que utilizamos de manera habitual?

El vidrio templado es uno de los materiales preferidos en edificios singulares, empleado como elemento estructural en muros cortina, pero también lo encontramos en otros lugares más frecuentes, como las marquesinas de las paradas de autobús, mamparas de ducha o puertas.

Fig.1: Ejemplos de utilización del vidrio templado como muro cortina. Torres de Madrid (izq.) y Sede del SESCAM, Toledo (dcha.)

Este vidrio recibe un tratamiento térmico en su fabricación que le confiere unas propiedades mecánicas especiales, como alta resistencia frente a impacto o aguante de un fuerte gradiente térmico, entre otras.

Pero la característica que de verdad lo distingue y lo hace preferible frente a otros tipos de vidrio es que se trata de un vidrio de seguridad: en caso de rotura, “los fragmentos resultantes son pequeños y sus bordes no presentan aristas cortantes”, como se recoge en la norma UNE-EN 12150, de manera que no pueda causar heridas graves a las personas, en contraste con las lajas que se forman en otros tipos de vidrio, como se muestra en la figura 2.

Fig.2. Rotura de un vidrio templado (www.vidrioperfil.com) (izq.) frente a rotura de un vidrio laminado (www.cridesa.es) (dcha.)

El inconveniente: presenta un problema potencialmente grave, su rotura espontánea. Debido a la propia maquinaria, los combustibles y los afinantes que se utilizan en su fabricación, en el vidrio pueden aparecer inclusiones de sulfuro de níquel (NiS). Inicialmente, estas inclusiones se encuentran en fase alpha; pero durante el enfriamiento del vidrio, experimentan un cambio de fase que conlleva un aumento de volumen (del 2.8%, aproximadamente), suficiente para producir la rotura del vidrio en caso de que la inclusión se encuentre en la zona de tensiones de tracción del vidrio. El problema es que este cambio de fase ocurre sin aviso previo y no se produce de manera inmediata durante el enfriamiento, sino que puede tardar entre 5 y hasta 10 años en producirse, estando el vidrio ya en servicio. Este fenómeno, estudiado desde 1961 por Ballantyne [1], sigue siendo un problema en la actualidad.

Fig. 3: Imagen de una inclusión de sulfuro de níquel en vidrio (Barry, 2001)

Existe un ensayo, el Heat Soak Test [3], que consiste en calentar el vidrio a 290 ºC (con una tolerancia de 10ºC) durante dos horas y después dejar enfriar, para provocar el cambio de estado del sulfuro de níquel. Con este tratamiento se reduce el riesgo de rotura espontánea en un 98.5 %, aunque no en un 100%. Sin embargo, este ensayo no es de obligado cumplimiento en España, sino que solamente se recomienda realizarlo, así como se recomienda también disponer de las barreras que se consideren oportunas para minimizar las consecuencias en caso de rotura del vidrio.

Frente a este fenómeno, además de diseñar las protecciones adecuadas, ¿podríamos ser capaces, mediante una comprensión mejor del material, de modificar su estructura para impedir esta rotura espontánea o conseguir un ensayo 100% efectivo, podríamos eliminar la existencia de estas inclusiones, o diseñar un método para poder evaluar in situ la presencia de estas partículas? Nos encontramos ante un nuevo reto de materiales, comprobando, una vez más, que incluso los materiales más tradicionales requieren un estudio más profundo para poder satisfacer las necesidades de la sociedad, cada vez más exigente.

Referencias:

[1] Ballantyne, E.R. and Brown, N.G., CSIRO “Division of Building Research” (Melbourne, Australia), Report Nº 06, 1961.

[2] Barry, J.C. and Ford, S. “An electron microscopic study of nickel sulfide inclusions in toughened glass”,  Journal of Materials Science, 36, 2001.

[3] UNE-EN 14179-1. Vidrio para la edificación: vidrio de silicato sodocálcico de seguridad templado térmicamente y tratado “heat soak”. Parte 1: Definición y descripción. AENOR, 2006.

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La Ingeniería de Materiales y las válvulas cardiacas (I)

Por José Miguel Atienza , Dr. Ing. de Caminos, Canales y Puertos, e Ing. de Materiales (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

La válvula aórtica, con su cierre y apertura cíclicos, permite que el corazón bombee el flujo sanguíneo suficiente para garantizar la respiración celular y las diversas funciones del metabolismo. Para hacerse una idea de la importancia de su comportamiento mecánico, es fácil calcular aproximadamente cuántas veces se ha abierto y cerrado una válvula aórtica durante la vida de una persona de ochenta años: cerca de 3.000 millones de ciclos. Se trata, por tanto, de un diseño mecánico con un extraordinario comportamiento en fatiga.

Figura 1. Esquema de la válvula aórtica. ©2009. Nucleus Medical Media, Inc.

Las prótesis valvulares cardiacas sustituyen a las válvulas nativas que han sufrido un daño irreparable en su función o que genéticamente son defectuosas. Existen dos tipos de válvulas: artificiales (o mecánicas) y biológicas.

Las prótesis mecánicas están formadas por oclusores rígidos en cuya fabricación no se incluye el uso de material biológico. Son seguras y resistentes, pero precisan tratamientos anticoagulantes de por vida, con su correspondiente medicación y control periódico, por lo que sólo pueden usarse en países con un gran desarrollo sanitario. En este post nos centraremos en los diseños y materiales que se utilizan para fabricar dichas válvulas, dejaremos para otro las válvulas biológicas.

Válvulas Mecánicas

El misterio que ha rodeado al corazón ha condicionado que hasta finales del siglo XIX no se realizaran sobre él las primeras suturas. La primera prótesis valvular documentada fue la válvula de bola desarrollada por Charles Hufnagel que se colocó en la aorta torácica descendente de un paciente en 1952, antes incluso del desarrollo de la circulación extracorpórea. Desde ese momento, la evolución de las válvulas cardiacas se convirtió en un apasionante recorrido de más de cincuenta años en el que medicina e ingeniería de materiales han trabajado de la mano.

Desde el punto de vista de los materiales, como sucede en otras aplicaciones dentro del cuerpo humano, además de una exigencia importante en propiedades mecánicas, durabilidad y ligereza, existe un condicionante clave: los aspectos relacionados con la biocompatibilidad. En este caso, resulta fundamental que el material utilizado sea lo menos proclive posible a la formación de trombos y coagulación de la sangre.

A finales de los años 50 había pocos materiales disponibles para su utilización en seres humanos: Dacron y Teflon (derivados del polietileno) en injertos vasculares; Silastic (caucho de silicona) para derivaciones en la hidrocefalia; Lucite (material acrílico) en la prótesis de aorta descendente; y acero inoxidable y Stellite (aleación cobalto-cromo) en ortopedia. La gran revolución llegó con el carbón pirolítico (Pyrolyte o Pyrocarbon), descubierto en 1966 por J. Bokros, cuando investigaba un material para recubrimientos de combustible nuclear. El carbón pirolítico es grafito bombardeado con átomos de carbón a muy altas temperaturas, un material casi tan duro como el diamante y con muy poco desgaste. Tiene una estructura similar al grafito, pero ciertas imperfecciones le permiten desarrollar enlaces fuertes entre las diferentes láminas de grafeno. Pero su gran ventaja en este caso consiste en ser el material resistente menos trombogénico (poco proclive a producir trombos o embolias) que se conoce, lo cual resulta clave para estas válvulas artificiales.

Tipos de válvulas mecánicas

Actualmente se distinguen tres tipos de prótesis mecánicas según su diseño, que determina el flujo de la sangre. A continuación describimos los materiales más frecuentemente utilizados para cada una:

- De bola: La más conocida es la válvula de Starr-Edwards (Fig. 2), la primera válvula mecánica en implantarse de forma masiva. Originalmente estaba constituida por una jaula de Lucite, una bola de Silastic y un anillo de Teflon sobre soportes de acero. Más tarde, la bola pasó a ser de Stellite. La idea original para el diseño de esta prótesis está basada en una patente de tapón de botella de vino y, a pesar de las críticas iniciales debidas a sus diferencias físicas con la válvula aórtica nativa, ha demostrado una durabilidad superior a los 40 años sin daño estructural, por lo que aún sigue siendo utilizada.

Figura 2. Válvula mecánica de bola (Starr-Edwards)

 

- De disco basculante: Las prótesis de disco basculante mejoran el flujo, si bien se convierte en un flujo excéntrico. En 1970 se construyó la prótesis de Björk-Shiley (Fig. 3) en Stellite; inicialmente el disco se fabricó con un polímero (Delrin), pero pronto se sustituyó por grafito recubierto con carbón pirolítico. Otras prótesis de similares características son: Lillehei-Kaster (titanio y el disco basculante en carbón pirolítico, 1970), pronto sustituida por Lillehei-Medical (íntegramente en carbón pirolítico), Omniscience (1978), Omnicarbon (1984) o Medtronic-Hall (1977).

Figura 3. Válvula mecánica de disco vasculante (Björk-Shiley)

 

- Bivalvas: La idea de las prótesis bivalvas es lograr un flujo central, que genera una hemodinámica similar a la fisiológica. Para conseguirlo se utilizan dos valvas semicirculares conectadas al anillo por una bisagra de mariposa: en la apertura pivotan creando tres áreas de flujo, una central y dos periféricas, consiguiendo que las turbulencias sean mínimas y que el área valvular efectiva sea prácticamente la del anillo. En 1977 se implantó la primera prótesis de St Jude, construida en carbón pirolítico, diseño que no se modificó en 30 años. En 2002 St Jude Medical cubría más del 50% del mercado de las prótesis valvulares y en 2007 se habían implantado más de 2 millones de estas prótesis. En 1994 Bokros fundó el Medical Carbon Research Institute (MCRI) para utilizar una forma de carbono isotrópico puro con el que desarrolló una nueva prótesis bivalva, la On-X, cuya trombogenicidad podría ser menor que la del carbón pirolítico (http://www.onxlti.com/contract-manufacturing/on-x-pyrolytic-carbon/).

Figura 4. Válvula mecánica bivalva (St. Jude Medical)

 

La evolución de los diseños de las prótesis mecánicas y la utilización de nuevos materiales en su construcción han ido mejorando el funcionamiento hemodinámico y la durabilidad. La trombogenicidad también se ha ido reduciendo, especialmente desde la introducción del carbón pirolítico. El encuentro médico-ingeniero se ha hecho imprescindible, acrecentando el diálogo entre ambas disciplinas. Hoy por hoy, en el producto final de una válvula cardiaca concurren profesionales de diversas áreas: cardiólogos, cardiocirujanos, ingenieros mecánicos, ingenieros electrónicos, ingenieros de materiales, entre otros; aportando cada uno su campo del saber, pero confluyendo hacia un mismo objetivo.

En el año 2008, según Registro de la Sociedad Española de Cirugía Torácica y Cardiovascular (http://www.sectcv.es/), se implantaron en España un total de 11167 prótesis, de las cuales 5235 fueron mecánicas. Ninguna es de patente española. El gasto estimado supera los 15 millones de euros anuales.

Fuente:

- Selección de materiales de base colágeno para bioválvulas cardiacas. J.M. Atienza, J.M. García Páez, L. Álvarez, R. Claramunt, F.J. Rojo, A. Ros, G.V. Guinea. Libro: INSUFICIENCIA CARDIACA SEVERA, editor: E. Cabrera Fischer y R. Armentano, Universidad Favaloro, 2012
- Lefrak EA, Starr A. Cardiac valve prostheses. Appleton-Century-Crofts. New York. 1979
- DeWall RA, Qasim N, Carr L. Evolution of mechanical heart valves. Ann Thorac Surg;69:1612-1621; 2000
- www.onxlti.com
- www.pyrocarbon.com

 

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Badén inteligente

Por Konstantina Konstantopoulou , Licenciada en Ciencias Físicas (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

El desarrollo y la investigación en nuevos materiales pueden cambiar y facilitar mucho nuestra vida diaria. Un buen ejemplo de esto es el nuevo desarrollo realizado por la empresa española Badennova, el “Badén inteligente”.
Los badenes convencionales consiguen regular la velocidad de los vehículos pero a la vez producen frenadas bruscas, molestias a los usuarios, contaminación acústica y ambiental y el deterioro de los amortiguadores, independientemente de la velocidad a la que se atraviesen estos obstáculos.

Con el fin de evitar estos inconvenientes, la empresa Badennova en colaboración con investigadores de la Universidad de Málaga ha desarrollado el “Badén inteligente”. Este badén se diferencia de los convencionales por tener un comportamiento muy distinto al paso de los vehículos, dependiendo de la velocidad que lleva el vehículo. Si el vehículo pasa a baja velocidad, este badén no opone resistencia y no sufren las ruedas ni los amortiguadores y sobre todo los pasajeros. Cuando el vehículo pasa a velocidad superior a la recomendada, el badén se comporta como un badén convencional.

El nuevo badén consta de dos componentes diferenciados: un recipiente y el fluido que lleva en su interior. La clave para conseguir la respuesta deseada es que el fluido muestre una viscosidad diferente dependiendo del valor del impacto recibido por las ruedas del vehículo al circular este a diferente velocidad. Este fluido se trata de un material no-newtoniano, en el que las partículas que lo componen se encuentran en movimiento de manera habitual, con lo que se muestra como un líquido. Sin embargo, las partículas se alinean en el momento en el que el material recibe un impacto, pasando de manera inmediata a un estado sólido.

Badén inteligente

El desarrollo del fluido interno se ha conseguido partiendo de las investigaciones del Dr. D. Francisco José Rubio Hernández, profesor de la ETS de Ingeniería Industrial de la Universidad de Málaga. Gracias al uso de este material, se consigue que el badén no ofrezca ninguna resistencia al paso de los vehículos que respetan la velocidad indicada, pero sí supone un obstáculo para aquellos que no lo hagan. Por otro lado, un equipo de tres ingenieros trabaja, con el apoyo del centro Andaluz de Plástico y Tecnología, sobre el material envolvente, centrándose en su degradación, facilidad de instalación y reciclaje.

El “Badén inteligente” ha recibido los premios a la mejor Innovación Tecnológica, otorgado por la Fundación Española de Seguridad Vial (Fesvial) y a la Innovación Intertraffic 2010, en la categoría de seguridad por su innovador sistema.

Para más información: http://www.badennova.com/

 

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Nanobiomateriales: la Nanotecnología al servicio de la Salud

Por Rafael Daza García , Licenciado en Ciencias Físicas (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales mediante el control de la materia a escala nanométrica (aquella en la que la unidad de longitud de referencia es el nanómetro, 1 nm equivale a 10-9 m, esto es, la millonésima parte del milímetro), y la explotación de fenómenos y propiedades de la propia materia a dicha escala.

A pesar de que la idea conceptual de nanotecnología surgió hace más de medio siglo (Richard P. Feynman en su ponencia There’s plenty of room at the bottom ante la Sociedad Americana de Física), es en los últimos años cuando ha experimentado un crecimiento vertiginoso que ha transformado el concepto en una realidad para la que constantemente se hallan nuevas aplicaciones y mercados. Como no podía ser de otra manera, ciencias tan relevantes para el ser humano como la biología y la medicina no han quedado al margen del proceso expansivo de la nanotecnología, de manera que, en la actualidad, son numerosas las aplicaciones nano que se estudian en varios de los mejores laboratorios bio del mundo.

Cuando las dimensiones de la materia se reducen a la escala nanométrica, esto es, abandonamos el mundo macroscópico cotidiano, las leyes de la física tal y como las conocemos en este dejan de ser válidas. Abandonamos la física de Newton o Einstein y nos adentramos en el universo de la mecánica cuántica y las propiedades “mágicas” que esta impone. Veamos un ejemplo: el oro es un material diamagnético inerte ante la presencia de un campo magnético; sin embargo, cuando tomamos una fracción nanométrica de ese mismo elemento, el nanomaterial resultante presenta actividad magnética (y esto “únicamente” por el hecho de haber reducido sus dimensiones). Junto con la aparición de estas nuevas propiedades, los nanomateriales presentan otra característica que les hace idóneos para su uso en el ámbito biosanitario. Los nanomateriales son materiales con tamaños en el rango de 1 a 100 nm. Dado que la mayoría de macromoléculas y agentes biológicamente activos, tales como virus, complejos proteínicos o membranas, son nanoestructuras naturales, se asume que los materiales nanoestructurados serán capaces de establecer una mejor interacción con los principales ladrillos de la vida.

En la actualidad son muchas y diferentes las aplicaciones que los nanomateriales tienen en el ámbito de la salud, tanto a nivel de diagnosis como de terapéutica. Entre las que son ya una realidad, podemos destacar:

  • Nanosensores que circulan dentro del cuerpo para monitorizar los niveles de glucosa, colesterol u hormonas.
  • Nanopartículas inteligentes que buscan una localización específica dentro del cuerpo humano para suministrar con precisión una dosis programada de medicamento en dicha localización.
  • Nanopartículas que destruyen microbios resistentes a los antibióticos.
  • Armazones tridimensionales (scaffolds) nanoestructurados para crecimiento de nuevo tejido y órganos humanos.
  • Nanopartículas para destrucción de células tumorales vía calentamiento (Hipertermia).
  • Nanomateriales para la separación y purificación de moléculas biológicas y células.
  • Nanomateriales para la mejora del contraste en pruebas de Resonancia Magnética Nuclear.

Si bien todas las líneas anteriores están en pleno auge, las mayores esperanzas están depositadas en las vinculadas al suministro local de medicamentos y a la hipertermia. Los materiales nanoestructurados se han convertido en un mecanismo para el suministro local de macromoléculas en tejidos u órganos de interés. Los nuevos desarrollos en ciencia de materiales y en nanoingeniería están permitiendo la producción de nanocomposites (materiales compuestos de dimensiones nano) biocompatibles que albergan, bien en su interior, bien sobre su superficie, agentes terapéuticos. Para esta aplicación suelen emplearse nanopartículas de origen polimérico cuya superficie es funcionalizada con diversas sustancias: se emplea una capa de origen biológico que asegura la biocompatibilidad de la nanopartícula (por ejemplo, las capas biológicas pueden incluir anticuerpos, biopolímeros como el colágeno, …), si la nanopartícula tiene que unirse a una estructura para realizar su función, se pueden disponer lugares de anclaje de alta especificidad; además, se pueden emplear agentes de contraste que permitan localizar la ubicación de la nanopartícula una vez esta ha sido introducida en el organismo. La figura muestra el esquema de una nanopartícula con algunas de las funcionalizaciones posibles. Actualmente, existen numerosas técnicas para sintetizar diferentes sets de nanopartículas según el tipo de agente terapéutico a usar, y el órgano objeto y el mecanismo de liberación de aquel que se desee emplear.

La quimioterapia es una de las terapias más extendidas en la lucha contra determinados tipos de cánceres. Básicamente, consiste en el empleo de una combinación de medicamentos que destruye las células tumorales o inhibe su proliferación. Sin embargo, este tipo de terapia presenta unos importantes efectos secundarios debidos a que los medicamentos no reconocen el punto exacto en el que deben actuar, esto es, la quimioterapia afecta a todas las células del cuerpo, no sólo a las tumorales. Estas células presentan una serie de receptores específicos en su membrana. El empleo de nanopartículas en cuya superficie se han depositado los ligandos complementarios a aquellos receptores (equivalente a un sistema llave-cerradura) permite la unión de estas a las células tumorales de manera que el suministro del medicamento o agente terapéutico se puede realizar sobre el lugar exacto en el que es requerido, esto es, la célula tumoral.

Esquema de una nanopartícula. Adaptada de (2)

Las células son entidades muy sensibles a las condiciones físico-químicas del ambiente en el que se encuentran de manera que agentes como la temperatura, el pH, etc. pueden modificar drásticamente el desarrollo de sus funciones e incluso producirles la muerte. Esta es la idea que subyace en el empleo de la hipertermia como terapia en la lucha contra el cáncer. En este caso se suelen emplear nanopartículas magnéticas para producir calor bajo un campo magnético alterno vía las pérdidas irreversibles durante el proceso de imanación.

No debe escapar al lector el hecho de que aún hay muchos problemas por resolver e interrogantes que desvelar antes de lograr una implantación completa de estas nuevas terapias en el ámbito sanitario. Cuestiones como la eliminación de las nanopartículas o el deterioro de las propiedades mecánicas de los scaffolds (por ejemplo, en la regeneración del tejido óseo) están por resolver. En este sentido, es fundamental que muchas disciplinas como la física, la química, la microbiología, la biología celular, la ciencia de materiales o la ingeniería, entre otras, trabajen de la mano y contribuyan al diseño, síntesis y fabricación de dispositivos funcionales y biocompatibles a escala nano cada vez mejores.

Referencias

(1) Nanotecnología y biomedicina. A. Ortiz. 2009.
(2) Biodegradable nanoparticles are excellent vehicle for site directed in-vivo delivery of drugs and vaccines. A. Mahapatro. 2011.

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Materiales Compuestos en aeronáutica

Por Álvaro Ridruejo , Dr. Ing. de Materiales (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

En esta entrada del blog, vamos a presentar dos aplicaciones en las que la utilización de materiales compuestos supone una importante ventaja.

1) Palas del rotor de un helicóptero

Las palas del rotor de un helicóptero se comportan como pequeñas alas que producen el empuje vertical que la aeronave necesita para volar. Desde el punto de vista del diseño, lo que necesitamos es un material que se deforme poco (suficientemente rígido) y que tenga el menor peso posible. Los materiales compuestos se han venido utilizando en el diseño de palas de rotor desde los años 60.
Las palas de helicóptero presentan un problema muy particular derivado de la combinación de los movimientos de rotación de las propias palas y hacia adelante de la aeronave: puesto que la velocidad de avance del helicóptero puede alcanzar 100 m/s y la velocidad lineal de la punta de la pala en su giro a menudo supera ligeramente los 200 m/s, la velocidad con la que la pala atraviesa el aire en la fase de avance del giro es sustancialmente mayor que la velocidad en la fase de retroceso (300 contra 100 m/s). Si el ángulo de ataque de las palas se mantuviera constante durante el giro, entonces el empuje vertical sería muy distinto en ambos lados del helicóptero y este se desestabilizaría gravemente.

Este efecto, detectado y solucionado por primera vez por el ingeniero español Juan de la Cierva, se puede compensar modificando el ángulo de ataque durante cada giro. Otras modificaciones del ángulo de ataque se utilizan para cambiar de dirección cuando el aparato maniobra.

Es por tanto de suma importancia que las palas tengan una alta rigidez a torsión para que puedan responder fiel y rápidamente a los cambios de ángulo de ataque impuestos por la base del rotor.

Del mismo modo, la rigidez a flexión también debe ser elevada para que la punta del ala no se retrase respecto de su base y para que las palas no se curven hacia arriba por efecto del peso del helicóptero. En la figura puede apreciarse un croquis de una sección de pala.

Las fibras de carbono orientadas a ± 45° respecto del eje de la pala le confieren la rigidez a torsión, mientras que la rigidez a flexión viene dada por las fibras de carbono y vidrio paralelas al eje. Esta configuración también proporciona a la pala una excelente resistencia a la fatiga, con lo que la vida de la pala alcanza las 10.000 horas.

2) Frenos de avión

Los frenos de un avión necesitan un conjunto tremendamente exigente de propiedades, que podemos citar a continuación:
 Buena estabilidad térmica y resistencia al choque térmico
 Baja densidad
 Buena resistencia a alta temperatura
 Alta capacidad térmica
 Alta conductividad del calor
 Buenas características de fricción
 Buena resistencia al desgaste

 

Freno de avión con pastillas de Carbono. Imagen de boeing.com

Durante un aterrizaje de emergencia o un despegue abortado (cuando el avión ya tiene una considerable velocidad en pista), los frenos deben absorber una enorme cantidad de energía sin desintegrarse ni agarrotarse. El diseño típico de un freno de aviación se basa en una serie de discos giratorios intercalados entre otros discos fijos. Cuando se accionan los frenos, el rozamiento entre los discos puede elevar la temperatura de los mismos hasta una media de 1500 °C, con picos de hasta 3000 °C en su superficie. Por esta razón, el material del disco debe tener una gran resistencia mecánica a alta temperatura y una excelente resistencia al choque térmico (capacidad de resistir elevadas diferencias de temperatura sin dañarse). Una buena conductividad térmica es básica para evitar el sobrecalentamiento de las superficies del disco. El carbono tiene una buena conductividad y estabilidad a alta temperatura (sus dimensiones cambian poco con la temperatura).

El carbono en forma de grafito sólido es un candidato, mucho más barato que un material compuesto de carbono/carbono (matriz y refuerzo de carbono), pero la resistencia y tenacidad del material compuesto son claramente superiores. Los discos se fabrican infiltrando fibras de carbono con una brea o una resina polimérica, calentando el conjunto a 1000 °C en ausencia de oxígeno para eliminar impurezas e ir dejando un esqueleto de carbono. El proceso se repite varias veces hasta alcanzar la densidad deseada y finalmente se calienta hasta unos 2500 °C para completar la grafitización.

El peso de los frenos es un asunto muy relevante. Un avión de pasajeros normalmente lleva ocho frenos. Con un diseño convencional (discos de acero y discos de un material friccional), el conjunto alcanza un peso de más de 1000 kg, mientras que un conjunto de frenos de carbono/carbono pesa algo menos de 700 kg. Este ahorro de peso es equivalente a cuatro pasajeros, y a la larga significa un importante ahorro de combustible.

La tecnología de frenos de carbono se introdujo en primer lugar en aviones de combate y en el Concorde, pero en la actualidad está presente en la mayoría de modelos de Boeing y Airbus.

La principal limitación que afecta a este material cuando se expone durante tiempos más prolongados a alta temperatura es su poca resistencia a la oxidación, aunque ya existen recubrimientos que evitan en gran medida este problema.

Fuente: D. Hull & T. W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, Cambridge University Press, 2nd Edition, 1996.

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