La magia de los materiales auto-reparables

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Imaginemos un pequeño meteorito, pequeñas partículas de polvo, que impactan sobre la superficie de un transbordador aeroespacial, provocando un peligroso escape de oxígeno. Sin embargo, la catástrofe milagrosamente se evita porque… el agujero, en cuestión de segundos, se cierra.
Un puente transitado, un terremoto, e indetectables fracturas que aparecen, las cuales ponen en peligro la integridad de toda la estructura. De nuevo, las grietas desaparecen inmediatamente y el material se regenera. ¿Suena a ciencia ficción? Sí, ciertamente, pero los primeros pasos ya se están dando: son los materiales auto-reparables.

Uno de los problemas más determinantes en la integridad de un material polimérico es la presencia de grietas y fracturas. Es un caso similar al de la oxidación en los metales, claro síntoma del paso inexorable del tiempo. La lucha en forma de reparaciones y sustituciones es eterna. En muchos casos las fracturas sobrepasan un determinado umbral crítico, provocando la rotura total o parcial de la pieza. La única solución posible a este grave problema es, sin duda, la reparación o la sustitución, a veces compleja, a veces sencilla, pero nunca inmediata. Los materiales auto-reparables son una solución para alargar la vida útil de los materiales: sistemas complejos e inteligentes que reaccionan ante una fractura generando un material sólido que recubre la grieta aparecida.

Por supuesto, como gran parte de la tecnología actual de materiales, se está tratando de imitar lo que ya existe. Es ese gran anhelo de la humanidad: la imitación de la naturaleza y sus logros. Cuando nos hacemos un corte en un dedo el cuerpo humano es capaz de taponar los vasos sanguíneos mediante el transporte de plaquetas a la zona dañada y posterior reparación de la misma. Claro ejemplo de sistema auto-reparable.

La investigación en este campo es tan prometedora que no puede ceñirse exclusivamente a un tipo de materiales. Casi todo el extenso espectro de materiales conocidos es susceptible de poder ser regenerado mediante técnicas avanzadas. De esta manera se están desarrollando metodologías para reparar metales, cerámicas, hormigones y, por supuesto, plásticos.

Los sistemas auto-reparables son absolutamente de gran utilidad en aplicaciones de elevadas prestaciones donde se hace necesario una durabilidad a largo plazo, o bien existe una inaccesibilidad para cualquier tipo de reparación. Así, por ejemplo, se puede pensar en piezas situadas en grandes altitudes (rascacielos, generadores eólicos), tuberías bajo tierra, cableado oceánico, aviones, transbordadores espaciales, almacenamiento de material nuclear, diques y elementos variados en centrales hidráulicas, túneles, superficies pintadas, recubrimientos, ventanas.

Pero, ¿cómo se hace? ¿Cómo es posible obtener un material tan “mágico” que se repare a sí mismo? La técnica más conocida y más estudiada en los últimos años para conferir a un material la capacidad de auto-reparación es la de polimerización a través de sustancias microencapsuladas. El secreto estriba en proteger el agente reparante, normalmente monómeros de una resina termoestable, en unas microcápsulas dispersas por el material plástico. El segundo ingrediente de la receta es el agente catalizador que se encuentra asimismo en la matriz polimérica. Cuando el material sufre una microfractura o grieta, las microcápsulas de esa zona se rompen liberando la resina que contenía. Al entrar en contacto con el catalizador disperso sufre un curado, sellándose la zona expuesta a la fractura.

Evidentemente este sistema no está exento de importantes limitaciones, que son bastante evidentes. Es lógico pensar que la zona reparada difícilmente alcanzará las prestaciones mecánicas originales. Si la pieza es sometida a ulteriores esfuerzos cabe pensar que las fracturas aparecerán nuevamente en la zona más débil, evidentemente, la zona reparada. Además, este sistema, por definición, es de un solo uso. Esto significa que donde se ha producido la fractura las microcápsulas se han gastado y, por tanto, se ha perdido la capacidad auto-reparadora. Del mismo modo es necesario tener en cuenta el “tiempo de activación”, o lo que es lo mismo, ¿cuánto tiempo transcurre desde que la fractura tiene lugar hasta que queda completamente sellada? Probablemente determinar este tiempo será crítico para evitar el fallo estructural total. Otros problemas más técnicos tienen que ver con la eficacia de la dispersión de las microcápsulas, con su concentración óptima, etc. Por todo ello, en los albores de su nacimiento, el objetivo principal de esta tecnología se orienta a permitir un uso “de emergencia” hasta la reparación o total sustitución de la pieza.

La tecnología avanza, las posibilidades también, y por ello se está trabajando con nuevas metodologías de auto-reparación. Como una variante al sistema inicial cabe comentar el uso de fibras huecas rellenas del agente polimerizante. En este caso las fibras, debido a su capacidad de orientación y su elevada relación de aspecto, pueden presentar una mayor accesibilidad a las fracturas y grietas. Para sistemas de gran transparencia, tipo poliestirenos o metacrilatos, se están desarrollando técnicas basadas en microcápsulas con disolventes. Éstas, al romperse, liberan la carga, mojando, disolviendo el polímero circundante y soldando la zona fracturada.
Mezclas bifásicas de un termoestable con un termoplástico de bajo punto de fusión pueden convertirse en un buen sistema auto-reparable. Es un caso de activación por calor, o activación térmica. Al someter el material a un foco térmico, en la propia fractura, se produce la fusión del termoplástico y la consiguiente soldadura de la grieta. Sin embargo, este sistema reclama la presencia de un operario que reconozca la fractura y la repare. Mucho más lejana estaría la posibilidad de aplicar sistemas sensores que activasen el proceso guiando las partículas reparadoras hasta la zona crítica o bien activando la reacción correspondiente.

Y por si hubiese alguna duda, no nos tenemos que ir muy lejos para reconocer el éxito de este tipo de materiales. Ya en la antigua Roma se utilizaba el famoso “mortero romano”, el más claro ejemplo de material auto-reparable que ha perdurado hasta nuestros días. Dicho mortero, formado por cenizas y limos, tenía la función de pegamento entre ladrillos. El limo se disuelve en agua. Por ello, tras las lluvias este material fluía y rellenaba los huecos creados por las grietas. Al secarse el limo endurecía y reparaba la rotura. Aquel mortero no era tan resistente y fuerte como los actuales, pero el “efecto reparador” ha permitido que dichas estructuras de más de 2000 años estén todavía acompañándonos. Es una señal…

Autor: Adolfo Benedito