Archivo de febrero, 2012

Sin un rasguño

Por Álvaro Ridruejo (Universidad Politécnica de Madrid)

 

Los diseñadores de aeronaves pueden aprender ciertas lecciones de los escorpiones

El escorpión desértico del norte de áfrica, Androctonus australis, es una criatura resistente. La mayoría de los animales que viven en desiertos cavan madrigueras para protegerse del viento cargado de arena. El Androctonus no, soporta todo en la superficie. Incluso cuando la arena azota con velocidades a las que arrancaría pintura de una placa de acero, el escorpión es capaz de moverse rápidamente sin sufrir daño aparente. Han Zhiwu y sus colegas de la Universidad de Jilin en China se preguntaban por qué.

Su curiosidad no es meramente académica. Los motores de aviación y los rotores de los helicópteros están continuamente sometidos a la abrasión del polvo atmosférico, y cualquier método encaminado a disminuir la abrasión resulta muy apreciado. El Dr. Han sospecha que los escorpiones podrían proporcionar una respuesta. Según escribe en la revista Langmuir, ha descubierto que la superficie del exoesqueleto del Androctonus es irregular. Si esta irregularidad en la superficie se traslada a otros materiales, también parece tener un efecto protector.

Las investigaciones del Dr. Han comenzaron con un recorrido en busca de escorpiones por las tiendas de animales de Changchun, ciudad donde se encuentra la universidad. Después de haber obtenido sus especímenes, los fotografió con un microscopio bajo luz ultravioleta. La luz ultravioleta provoca fluorescencia en el exoesqueleto del animal, compuesto de un polisacárido llamado quitina, y revela las características de su superficie. El equipo averiguó que la coraza del Androctonus está cubierta de gránulos hemisféricos de 10 micras de altura y entre 25 y 80 micras de diámetro. Estos gránulos parecían ser la clave de la despreocupación del animal frente a las tormentas de arena.

Para comprobarlo, tomaron más fotografías. En particular, usaron un sistema de barrido láser para componer un mapa tridimensional de la coraza y acoplarlo a un programa que simulaba el impacto de los granos de arena a distintos ángulos de ataque. Esto reveló que los gránulos alteraban el flujo de aire cerca de la superficie del exoesqueleto de tal modo que el ritmo de erosión parecía reducirse. El modelo también predecía que si el exoesqueleto fuera completamente liso, sufriría una velocidad de erosión doble a la que se da en la realidad.

Después de las simulaciones por ordenador, el equipo procedió a la verificación experimental. Colocaron muestras de acero en un túnel de viento y lanzaron granos de arena contra ellas utilizando aire comprimido. Una de las piezas de acero era lisa, mientras que el resto, inspiradas en el exoesqueleto del escorpión, tenían grabadas en su superficie estrías de distintas altura, anchura y separación. Se expuso cada muestra a la tormenta de arena artificial durante cinco minutos y después se pesaron para medir el grado de erosión.

El resultado fue que el patrón más parecido al exoesqueleto del escorpión (a escala, con estrías separadas 2 mm y un tamaño de 5 mm de anchura y 4 mm de altura) demostró ser el que mejor resistía el ataque. Aunque no es tan buena como la predicción del modelo de ordenador para la geometría real del escorpión, esta rugosidad reduce la erosión en un 20% en comparación con la superficie de acero lisa. Según el Dr. Han, la lección para los constructores aeronáuticos es que cierta irregularidad en la superficie podría contribuir a alargar la vida de aviones y helicópteros, al igual que lo hace con la de los escorpiones.

Esta entrada es una traducción de la noticia aparecida en “The Economist” (04/02/2012): http://www.economist.com/node/21545971

Artículo original: Han Zhiwu, Zhang Junqiu, Ge Chao, Wen Li, and Luquan Ren. Erosion Resistance of Bionic Functional Surfaces Inspired from Desert Scorpions. Langmuir, 2012, 28 (5), pp 2914–2921

Etiquetas:

Pinturas autorreparables

Por Teresa Palacios (Universidad Politécnica de Madrid)

En los últimos años se están produciendo gran cantidad de avances tecnológicos que nos hacen la vida más fácil y cómoda. En este post, vamos a ver como se pueden utilizar las propiedades de los materiales para el desarrollo de una nueva pintura tecnológica autoreparable que nos permita conservar en perfecto estado objetos cotidianos.

En el año 2005 el fabricante de coches japonés Nissan desarrolló, junto con la Universidad de Tokyo y la empresa japonesa Advanced Softmaterials Inc. una pintura que permitía la autoreparación de pequeños daños superficiales y que actualmente se utiliza en una amplia gama de modelos Nissan e Infiniti. Pero sus avances no han quedado ahí, el mes pasado dieron la noticia de su aplicación fuera del sector de la automoción en Europa (en Japón la tecnología ya es utilizada por el operador móvil NTT DoCoMo) para el desarrollo de carcasas de uno de los dispositivos más de moda últimamente: el iPhone.

Este nuevo producto se denomina “Scratch Shield”. Se trata de una carcasa realizada en ABS, un polímero termoplástico amorfo muy resistente al impacto ampliamente utilizado en la industria del automóvil, y recubierta con esta nueva pintura tecnológica que permite devolver la estructura a su forma original. Esta pintura, que además es más resistente que una pintura convencional, protege las capas internas de la rotura, ayudando así a mantener la apariencia como si fuera nuevo durante más tiempo.

Pero, ¿en qué consiste? se trata de una pintura transparente realizada con polyrotaxane, una supramolécula formada por moléculas cilíndricas en torno a un eje formado por una cadena molecular (ver figura 1) altamente elástica y flexible que permite que cuando una pequeña fuerza se aplica contra ella, por ejemplo un arañazo, la estructura química reaccione para devolver la forma original y rellenar el hueco, reparando de este modo el daño. Estas cadenas se deslizan a través de los aros por lo que al aplicar la fuerza exterior, se mueven y redistribuyen de manera uniforme recuperando su estado inicial con el paso del tiempo. Además, su apariencia de gel permite que sea más resistente a los arañazos que una pintura convencional y una mejor sujeción del dispositivo.

Polyrotaxane (http://www.molle.k.u-tokyo.ac.jp/research/research_2_e.html)

 

Comportamiento de Scratch Shield frente al de un recubrimiento convencional (http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/scratch.html)

El tiempo estimado para que se produzca esta autoreparación dependerá de diversos factores externos tales como la temperatura o la penetración de rayado, aunque puede ser cuestión de minutos. Habrá que tener en cuenta que no es posible reparar arañazos muy profundos, ya que si esta rompe el recubrimiento no será capaz de autorepararse, y que la duración eficaz estimada de esta pintura es de tres años.

Además de Nissan, en el mundo existen otros grupos de investigación trabando para mejorar la reparación de arañazos como la Case Western Reserve University en USA: Imagen de previsualización de YouTube

Fuente:

http://www.nissan-global.com/

Videos:
SUPRAMOLECULE

Imagen de previsualización de YouTube
Etiquetas:

Todos los materiales son pegajosos

Por Gustavo R. Plaza (Universidad Politécnica de Madrid)

Unas décadas antes de que llegara el agitado siglo XX, el físico holandés van der Waals se dio cuenta de que las moléculas de los gases y líquidos son pegajosas. Se atraen unas a otras. Esta atracción es en realidad electrostática y se produce a pesar de que las moléculas no estén cargadas eléctricamente, es decir, de que tengan un número igual de electrones y de protones. Ocurre por la distribución no homogénea de la carga, esto es, por ser distintos los centros de masa de los electrones y de los protones (éstos últimos en el núcleo de los átomos). La distribución no homogénea de la carga fluctúa a lo largo del tiempo por agitación térmica. El resultado es la fuerza atractiva que se conoce como fuerza de van der Waals.

Las fuerzas de van der Waals permiten que todos los materiales se atraigan, si bien son fuerzas de corto alcance. Sólo son importantes si las distancias son suficientemente pequeñas. Estas fuerzas son uno de los mecanismos de adhesión de los pegamentos, a los cuales pueden contribuir también la formación de enlaces covalentes y la unión mecánica al rellenar poros.

Los guecos (tradicionalmente conocidos en España como salamanquesas) pueden trepar por todo tipo de superficies.

Cuando acercamos la palma de nuestra mano a una pared, las rugosidades impiden que haya una superficie de contacto, a distancia atómica, suficientemente grande. Por ello, no sentimos una gran fuerza debida a las fuerzas de van der Waals. Sin embargo, encontramos en el mundo animal el célebre ejemplo de las salamanquesas (o guecos), que han conseguido aprovechar con éxito las fuerzas de van der Waals para adherirse a cuelquier tipo de superficie. Para ello, la cara inferior de sus dedos está cubierta de pelillos de pequeñísimo tamaño, suficientemente flexibles como para que muchos de ellos estén en contacto con el material de apoyo, de modo que una gran superficie de contacto a distancias atómicas garantiza que la fuerza total de van der Waals sea tan grande como para soportar el peso del animal. Si se tiene la suerte de encontrar uno de estos animales (posible incluso en las zonas verdes de una ciudad como Madrid) se puede aprovechar para observar estas sorprendentes características, además de disfrutar de su belleza.

Imagen inferior de los dedos de un gueco (o salamanquesa).

Los guantes que utiliza Tom Cruise cuando trepa por la fachada del edificio más alto del planeta en “Misión imposible IV”, estrenada hace unas semanas, se inspiran en esta idea, y pretenden ser unos “guantes de gueco” (“gecko gloves”). En realidad, aún se sigue trabajando en el desarrollo de tales guantes.

 

Para saber más sobre interacciones moleculares (ampliando esta descripción simplista), una posible referencia es “Química física”, Atkins, de Paula. Ed. Panamericana. Una rápida introducción en inglés puede entontrarse en este enlace. Además, este artículo en Nanotoday describe las ideas de base para los “guantes de gueco”.

Notas. En algunos casos no hay atracción sino repulsión entre dos materiales, en particular cuando ambos tienen carga eléctrica de igual signo o cuando se enfrentan dos materiales imanados en sentidos opuestos, es decir cuando se enfrentan los polos iguales de dos imanes. También estas interacciones son electromagnéticas.

Etiquetas: , ,

Materiales para salvar el mundo

Por José Ygnacio Pastor, Dr. en Ciencias Físicas (Catedrático de Universidad, Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

Si de alguna forma podemos definir al homo sapiens sapiens, en contraposición al resto de especies autoconscientes del planeta Tierra, es como un frenético devorador de energía. Según las previsiones de la Agencia Internacional de la Energía, de seguir el aumento de población y de consumo energético al ritmo actual, la demanda mundial se multiplicará en un factor entre tres y cinco de aquí a final de siglo. Pero la cantidad de energía disponible, manteniendo el equilibrio ecológico de esta isla de vida que vaga por el universo que es nuestro planeta, es en estos momentos limitada.

Actualmente, en los procesos de transformación de los combustibles en energía los rendimientos siguen siendo muy limitados, y en los mejores casos apenas alcanzan el 50%, pero lo habitual es estar muy lejos de estos valores. Lo peor de todo es que las tozudas leyes de la termodinámica nos limitan que podamos llegar mucho más allá de lo conseguido.

Sólo en los últimos decenios se ha vuelto la vista hacia las energía renovables (solar, eólica e hidráulica, aunque estas dos últimas con mayor o menor intensidad ya se explotaban desde hace mucho tiempo) como opciones alternativas pero aún estamos muy lejos de obtener altos rendimientos a bajos precios.
Por otra parte no tenemos derecho a restringir el desarrollo de los más desfavorecidos, aunque esto tampoco tiene que implicar que en los países desarrollados tengamos que retroceder en nuestra calidad de vida. Además, debemos conseguir el control del calentamiento global terrestre de origen antropogénico. ¿Cómo resolver este dilema?

El reto que tenemos por delante es enorme, y nos va la vida en ello. En este contexto, resulta imprescindible que Materiales y Energía colaboren. Para responder a estas necesidades tenemos varias opciones:

* Utilizar el carbón en forma licuada. El carbón es barato y hay reservas para varios siglos pero el incremento de contaminación que esto implicaría sería inasumible con la tecnología actual. Una respuesta sería encontrar materiales y tecnologías que permitieran la captura y almacenamiento de CO2 de forma segura, barata e indefinida.

* Apostar por las energías renovables. El desarrollo de biocombustibles parece una alternativa, pero en el computo global de emisiones de CO2 siempre el saldo es positivo y la cantidad de tierras de cultivo inmensas. Esto además puede llevar aparejado el encarecimiento, interesado a veces, de los alimentos de primera necesidad. La energía solar fotovoltaica hoy por hoy es una apuesta más estética que real, ya que el precio de la energía generada resulta muy elevado y las instalaciones tardan unos veinte años en amortizarse. Necesitamos materiales baratos para mejorar la eficiencia energética de las células solares. La energía eólica y la termo-solar pueden ser una interesante alternativa pero presentan un problema básico: su aleatoriedad. Es necesario tener centrales de generación alternativas para cuando estas no funcionan, y sistemas de almacenamiento para cuando producen energía en exceso. Esto último requiere el desarrollo de materiales y tecnologías que lo permitan de forma eficiente y barata.

* La energía nuclear, que no está de moda y a todos nos asusta. Las nuevas tecnologías de procesamiento de materiales están empezando a dar respuesta al reprocesamiento de residuos de alta actividad. Adicionalmente, si en algún momento fuera posible el desarrollo de centrales que usen torio como combustible, tendríamos resueltos simultáneamente varios problemas: los residuos de las centrales actuales, la posibilidad de su uso para la proliferación armamentística y las limitaciones de la disponibilidad de uranio, con el torio tendríamos combustible para más de un milenio. Finalmente las centrales de fusión (el combustible en este caso son isótopos de hidrógeno presentes en el agua de mar de forma prácticamente inagotable) se llevan presentando como la respuesta definitiva a nuestros problemas energéticos desde hace cincuenta años. Lamentablemente, todavía estamos lejos de poder dar una fecha de cuándo será posible tener un reactor de estas características pues los problemas, principalmente con los requerimientos de los materiales involucrados, son tan brutales que nos faltan decenios de investigación.

* Ahorrar energía. Posiblemente esta sea la única alternativa plausible y viable que tengamos en estos momentos. La cantidad de energía que desperdiciamos y desperdigamos a nuestro alrededor es enorme. Probablemente más del 80% de la energía contenida en nuestros combustibles se despilfarra. Sólo con conseguir un ahorro del 2% anual en 30 años conseguiríamos tener energía para todos. Si este ahorro además va acompañado de un desarrollo humano mucho más homogéneo en todo el mundo sería posible que la población mundial se estabilizara en torno a los 11.000 millones de humanos. ¿Pero cómo conseguir este ahorro sostenido de energía? Unos pocos materiales pueden tener las respuestas:

- Materiales superconductores de alta temperatura crítica. Buena parte de la energía eléctrica se pierde en su transporte y en la conversión de energía eléctrica a mecánica. Con estos materiales, si finalmente pudieran funcionar a temperatura ambiente, sería posible el transporte de energía sin pérdidas, el movimiento de vehículos con la décima parte de la energía actual, y el funcionamiento de los motores de una manera mucho más eficiente y silenciosa. Además permitiría un almacenamiento sencillo e instantáneo de la energía. Los problemas a resolver para conseguirlo parecen hoy por hoy insalvables, pero hace sólo 30 años era inimaginable que pudieran existir estos materiales.

- Materiales para altas temperaturas. Cuanto mayor sea la temperatura de las centrales térmicas de producción de energía mayor será el rendimiento de la misma y más energía será posible extraer del combustible. En la actualidad prácticamente todas las centrales de producción de energía son centrales térmicas, desde las de carbón a las termosolares pasando por las nucleares. Sólo subir 100 o 200 ºC su temperatura de trabajo permitiría rendimientos mucho mayores, y en esto de nuevo los materiales tienen la respuesta.

- Materiales de efecto térmoelectrico. En todo proceso de combustión tenemos siempre un calor residual que se pierde. Por ejemplo a través del tubo de escape de nuestros coches o por la rodadura de los neumáticos en la carretera. El desarrollo de nuevos materiales de efecto termoeléctrico está abriendo recuperar parte de este calor residual en forma de energía eléctrica.

- Materiales para el aislamiento térmico y la iluminación. En estos momentos disponemos de tecnologías y materiales para hacer edificios y ciudades autosostenibles, donde el calor generado o recibido del exterior se puede utilizar para generar energía y así reducir el impacto ecológico de la construcción.

Como se ha mostrado el factor clave para responder a este reto es el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías. Los “Materiales para la Energía” descritos son sólo algunas de las opciones que tenemos a nuestro alcance, pero su mejor conocimiento puede ayudarnos a salvar el mundo.

Fuente:
- “Devoradores de energía”, J.Y. Pastor, www.upm.es, 2012

Etiquetas:

Simulación a varias escalas del comportamiento de los materiales (I)

Por Javier Segurado, Dr. Ing. de Materiales (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

I. Simulación como una nueva línea científica:

La realidad física puede observarse y estudiarse mediante modelos matemáticos adecuados para diferentes “escalas” o tamaños, esto es, considerando que su estructura básica es de un tamaño dado, desde nanometros hasta metros. Para explicarlo un poco mejor pongamos un ejemplo de realidad física a estudiar: la Torre Eiffel (ver Figura). Esta puede considerarse como un objeto único y rígido si queremos estudiar su estabilidad o su asentamiento y la longitud de escala serían decenas metros. Si nos interesa más detalle sobre el reparto de cargas habría que considerarla como un estructura de barras metálicas (m), o si queremos detalles particulares considerar las uniones entre estas (cm). En una escala más pequeña (microescala, µm) se podría considerar también que el metal que forma las barras es diferente en cada punto (rugosidades, defectos), o llegar hasta a considerar los átomos que forman los materiales de la torre.

Existen modelos matemáticos muy establecidos y altamente precisos para el estudio del comportamiento de la materia en la “nanoescala”, considerando de estructura íntima (esos conglomerados de átomos): la mecánica cuántica y la física del estado sólido, por ejemplo. El problema es que estos modelos no son fácilmente aplicables cuando se pretende estudiar la respuesta de un sistema físico macroscópico (por ejemplo la deformación con el viento de la torre Eiffel). En estos casos, los científicos “teóricos” elaboran modelos matemáticos que bajo una serie de hipótesis simplificadoras dan una respuesta satisfactoria al problema. Por seguir con el ejemplo anterior, la mecánica de medios continuos, la teoría de la elasticidad y la resistencia de materiales proveen una respuesta muy precisa de la deformación de la torre sin necesidad de considerar ni sus átomos, ni los defectos de los materiales.

 

Figura: Torre Eiffel desde diferentes longitudes de escala que decrecen hacia abajo y a la derecha, desde el continuo hasta la composición atómica de sus materiales. (http://www.intltravelnews.com/2009/11/paris-for-the-holidays-2, http://hispabase.com/galeria/displayimage.php?pos=-67124, Microscope image of steel grains.(Courtesy of J. C. Russ, author of Image Processing Handbook, CRC Press.), Wikipedia)

El problema es que en muchos otros casos, lo que pasa a diferentes escalas está muy relacionado y no es tan sencillo desacoplar sus efectos como en el caso anterior. Así muchas de las simplificaciones para estudiar los sistemas ya no son ni tan evidentes ni tan eficientes. En estos casos, sería ideal usar en la escala superior los modelos más precisos (y por lo tanto más costosos de calcular) ya desarrollados para la escala inferior. No se trata claro, de estudiar la deformación de la torre resolviendo la ecuación de Schroedinguer para un sistema formado por los millones de millones de átomos que la forman, pero si podría estudiarse el comportamiento frente a la corrosión o la rotura del acero del que está hecha mediante modelos precisos que tengan en cuenta su composición, microestructura, etc… El problema es que la resolución de las ecuaciones resultantes de la aplicación de estos modelos a sistemas grandes no se puede hacer “a mano” puesto que se deben resolver las millones de incógnitas que pueden aparecer.

Clásicamente, el estudio que los científicos han hecho de esta realidad física se ha dividido entre “experimental” y “teórico”. La ciencia de materiales no es ajena a esta división y así, los científicos “experimentales” dedican su tiempo al estudio en el laboratorio del comportamiento mecánico/térmico/magnético, etc, de los materiales, mientras que los “teóricos” tratan de establecer los modelos matemáticos que puedan reproducir esos comportamientos. Sin embargo, gracias al enorme desarrollo de los ordenadores, esta idea de tomar modelos precisos del comportamiento en una “microescala” y aplicarlos para resolver el comportamiento en una escala mayor empieza a ser posible. De esta forma, una nueva vía científica a caballo entre la “teoría” y “experimentación” ha aparecido en los últimos años: la “simulación” computacional o simulación a secas. La simulación podría definirse entonces como el intento de modelizar una situación real y hacer predicciones sobre el comportamiento del sistema mediante el uso de ordenadores.

La disciplina de la simulación aparece en todos los ámbitos de la ciencia: física, química, biología, ciencias sociales, etc, y por supuesto en la ciencia e ingeniería de materiales. Dentro de este campo existen infinidad de herramientas y modelos de simulación según la propiedad objeto del estudio —el comportamiento óptico, electrónico, magnético, estructural, etc— y según el nivel de aproximación —desde modelos moleculares cuánticos o clásicos si consideramos la estructura íntima a modelos de medios continuos que nos permitirían simular el comportamiento mecánico de toda una compleja estructura como un avión—. Además existen numerosos intentos de aunar en una misma simulación fenómenos que ocurren a varias escalas diferentes (simulación multiescala), por ejemplo el estudio de la deformación macroscópica de una pieza de metal considerando de forma explícita la microestructura (composición, defectos, fases y su distribución…).

Este texto es el primero de una serie de entradas que estarán relacionadas con el mundo de la simulación en Ingeniería/Ciencia de materiales. A lo largo de los diferentes textos trataré de exponer una visión general y muy básica sobre problemas estudiados y técnicas empleadas para el estudio desde los tamaños nanométricos hasta modelos de estructuras/sistemas completas.

Bibliografía:
http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_simulation
“Computational Material Science: The simulation of Materials, Microsctructures and Properties”, Dierk Raabe, 1998 Wiley-VCH Verlag

Etiquetas: