El matrimonio multiescala de los materiales: Francis Avilés Cetina, Premio a la Investigación 2017
Por Marytere Narváez
Los polímeros (plásticos) reforzados con fibras se emplean comúnmente para piezas automotrices, náuticas y aeronáuticas con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas.
Dr. Francis Avilés Cetina.
Sin embargo, para ciertas aplicaciones se requiere que los polímeros —que usualmente son aislantes— sean también conductores de electricidad, por ejemplo, cuando se busca aislar la electrostática de una cabina o para monitorear su daño por medio de la señal eléctrica.
Francis Avilés Cetina, especialista de la Unidad de Materiales del Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY), ha dedicado su investigación al reforzamiento de polímeros con nanoestructuras de carbono que dotan estos materiales de propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas mejoradas, labor por la que recibió el Premio de Investigación 2017 de la Academia Mexicana de la Ciencia (AMC), en la modalidad de Ingeniería y tecnología.
"Los nanomateriales que estamos introduciendo le dan un valor agregado a los polímeros con lo que hoy se conoce como multifuncionalidad. Además de las prestaciones mecánicas, podemos hacer que un material sea un conductor térmico o de electricidad", describió en entrevista para la Agencia Informativa Conacyt.
Multiescalabilidad
Durante sus estudios doctorado en Mecánica de Sólidos, realizado en Florida Atlantic University, Francis Avilés estudió la mecánica de materiales compuestos fibrorreforzados en la escala micrométrica convencional.
A partir de su integración al CICY, empezó a modificar los materiales compuestos convencionales con nanotubos de carbono. A la fecha, su equipo de trabajo cuenta con 11 años de trabajo en esta línea y han desarrollado materiales compuestos multiescala.
"Tenemos una escala macrométrica en la que el material compuesto acaba siendo de una escala dimensional de centímetros; tenemos la fibra de vidrio, cuyo diámetro está en el orden de micras; y finalmente los nanomateriales, que modifican las propiedades que tenemos en la escala de nano. Entonces tenemos macro, micro y nano, es decir, compuestos multiescala", expresó.
Nanotubos de carbono
El investigador es especialista en el área de nanocompuestos a base de carbono, en particular ha trabajado mucho con nanotubos de carbono y hojas grafénicas, tanto teórica como experimentalmente.
"A veces hacemos simulaciones para tratar de entender mejor lo que está sucediendo en la nanoescala o para acotar el número de experimentos. Ahí tenemos una gama de nanoestructuras: nanotubos de carbono, fullerenos, grafenos e incluso hojas de Nitruro de Boro, entre otras".
Los nanotubos de carbono tienen la forma de un polvo fino de color negro. Existen varios procesos para sintetizarlos —como el CVD (Chemical Vapor Deposition), pero generalmente los investigadores los adquieren ya como productos comerciales disponibles en el mercado.
"A la fecha, la síntesis de nanoestructuras de carbono ya es una tecnología bastante desarrollada, la gente ahora trabaja un poco en tratar de escalar esa síntesis para poder hacer más y más baratos", describió.
El investigador modifica químicamente su superficie para agregarlos a polímeros y elaborar piezas para ensayos mecánicos, como probetas de tensión y vigas, similares a las que se emplean en la industria de la construcción.
El matrimonio de los polímeros y los nanotubos
Nanotubos de carbono.No siempre un nanotubo comercial puede integrarse fácilmente con el polímero matriz, por ejemplo, un polipropileno como del que están formados algunos contenedores o las resinas que se usan para fabricar barcos de fibra de vidrio.
"Dependiendo de su química y de sus grupos funcionales pueden enlazarse o no al polímero. Lo que hacemos es jugar un poco con la química superficial. Modificar los nanotubos de acuerdo con la aplicación de mi resina para generar una buena interfaz", describió.
En colaboración con especialistas químicos se desarrolla la funcionalización, que consiste en un tratamiento químico que los nanotubos reciben para que se integren de mejor manera en el futuro material compuesto.
"En teoría debe ser como un matrimonio donde se obtiene lo mejor de los dos y una prestación que no obtenías de los dos por separado. A veces no hay compatibilidad, se te pueden aglomerar y puedes incluso tener propiedades peores de las que tenías con los productos originales", expresó.
Aplicaciones en electrónica y electrónica flexible
El polímero adquiere comúnmente el color negro del nanotubo al convertirse en un material compuesto, aunque la concentración de nanotubos sea únicamente de un muy poco porcentaje en peso. Además, pasa de ser un aislante eléctrico a un conductor de electricidad.
"En un polipropileno puro las cargas estáticas tienden a cumularse y, cuando lo toques, puede generar que se queme tu microcomponente electrónico, por ejemplo, la tarjeta del celular. El material compuesto modificado con nanoestructuras de carbono descarga la corriente porque esta puede fluir a través de él".
Los materiales reforzados con nanotubos de carbono son usados en la industria electrónica y la electrónica flexible, tecnología para el montaje de circuitos electrónicos en sustratos de plástico flexibles, como las pantallas táctiles, sensores y celulares. "Para todo lo que sea conducción de electricidad que necesitas flexibilidad están los polímeros conductores".
Con el apoyo del Fondo Sectorial de Innovación (FINNOVA) del Conacyt, el equipo de trabajo de Avilés Cetina desarrolló el prototipo de un termistor nanoestructurado, es decir, un polímero modificado con nanotubos de carbono cuyo cambio de resistencia eléctrica sirve para medir temperatura. Actualmente cuentan con una solicitud de patente ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Intelectual (IMPI).
Para la percepción del investigador, el desarrollo de este prototipo fue pieza clave para recibir el Premio a la Investigación 2017 de la Academia Mexicana de Ciencias (AMC) en la modalidad de Ingeniería y tecnología, debido a los requisitos propios de la convocatoria.
"El área de Ingeniería y tecnología tiene una atenuante muy específica que no tienen las demás. En pocas palabras, te piden que además del currículum y el número de publicaciones, entre otros aspectos, tengas algún desarrollo tecnológico. Para cubrir ese punto, sometí precisamente el desarrollo de este termistor nanoestructurado. No es un premio por el termistor, pero esa es como la cereza del pastel. Es un premio a la trayectoria académica", finalizó.
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