¿Qué? ¿Materiales que se reparan solos?

Post de: Rocío Ariza García
ÁREA: CIENCIA DE MATERIALES

Exacto. Si hablamos de sistemas biológicos esta idea no parece tan descabellada. Es bastante intuitivo pensar que si nos dañamos la piel ésta acabará regenerándose en mayor o menor tiempo, así que ¿por qué no pensar en un material que también pueda hacerlo?

Es inevitable que muchos de los materiales empleados en nuestro entorno pierdan antes o después la batalla contra el tiempo, fracturándose o dañándose y haciendo que disminuya su funcionalidad. Esto implica que los costes por mantenimiento y sustitución se disparen, sin mencionar los costes de reciclaje y medioambientales que trae asociado.

Fig 1. Proceso básico de autorreparación. Tras la fractura del material (a) se induce una fase móvil (b, c) capaz de reparar el daño por completo (d, e). Fuente: Hager, M. D. et al, 2010.

La autorreparación es el concepto que se quiere incorporar en los nuevos materiales con el fin de darles una segunda vida útil. Conseguir que un material sea capaz de regenerarse supone un gran avance en aquellos usos en los que el acceso a la zona dañada pueda ser complicado o elementos cuyas propiedades mecánicas sean críticas, como pueden ser estructuras en grandes construcciones.

Se han desarrollado varias estrategias para abordar este objetivo, siempre teniendo en cuenta el material donde se quiere incorporar. Por ello, es imprescindible conocer las propiedades de cada tipo de material en la micro y macro escala, así como los puntos débiles en sus aplicaciones potenciales. Atendiendo a sus propiedades el proceso de reparación variará si se trata de un polímero, un hormigón o un metal, por ejemplo.

Los polímeros sintéticos, por su versatilidad, son de los materiales que más alternativas ofrecen para poder llevar a cabo una autorreparación. Esta misma versatilidad es la que hace que pueda llegar a ser muy complicado el reciclaje de estos materiales, por lo que alargar su vida útil puede ser una gran alternativa.

Para comenzar a plantear cómo diseñar un sistema de autorreparación en polímeros podemos echar un ojo a qué hacen los sistemas biológicos para repararse. Es así como surge la idea de entrelazar un sistema de fibras vacías dentro del material que en caso de fractura sean capaces de llevar un agente reparador hasta el lugar exacto del daño, como si de una red vascular se tratara.

Siguiendo la misma línea otro de los métodos más empleados es la introducción de microcápsulas con monómeros en su interior que actúan como agente reparador. Cuando se produce un daño sobre el material, la microcápsula libera su contenido, el cual reacciona solidificando y cerrando la fractura.

Fig 2. Sistemas de autorreparación en polímeros. Fuente: Blaiszik et al, 2010.

No podemos olvidarnos de lo que es en el fondo un polímero: macromoléculas formadas por la unión de monómeros. Conociendo cuales son los mecanismos por los que se enlazan estos monómeros se podrían diseñar distintas estrategias para que mediante estímulos externos se volviesen a unir, incluso si alguno de los factores implicados en los mecanismos de ruptura (calor residual, por ejemplo) fuesen los estímulos necesarios para reordenar los enlaces se podría aprovechar para crear un mecanismo de autorreparación. Este sería el caso de algunos proyectos donde se busca la autorreparación de perforaciones para estaciones espaciales o la reparación de ciertas pinturas en coches.

Los polímeros ofrecen muchas alternativas, pero no es menos cierto que existen muchos otros materiales donde encontrar un sistema de autorreparación puede ser muy interesante. Un buen ejemplo son los hormigones. Estos son especialmente sensibles a las filtraciones de agua a través de posibles fisuras. A este problema se le ha dado solución en forma de bacterias. Las bacterias se fijan en el hormigón y se activarán si el agua se filtra por alguna fisura. Una vez las bacterias se activan empezaran a crear minerales capaces de sellar las fisuras.

Fig 3. Hormigón con bacterias embebidas para la autorreparación. Fuente: TU Delft. 

Otra de las infraestructuras donde puede ser interesante la aplicación de este tipo de materiales son los asfaltos. Sin duda, las condiciones de trabajo a las que están expuestos hacen que requieran de un mantenimiento, en ocasiones prolongado en el tiempo, que no siempre es posible. Es por ello que un sistema que permita inducir una autorreparación del material en un periodo corto de tiempo sea una opción para mantener las carreteras en óptimas condiciones y alargar su vida útil. En este caso se ha propuesto introducir una serie de fibras conductoras en el asfalto, de tal manera que al inducir una corriente estas fibras puedan calentar el material lo suficiente como para que el propio asfalto difunda y selle las fisuras.

La autorreparación es una meta que está muy cerca como en el caso de los polímeros, y que poco a poco va ganando terreno en otro tipo de materiales y aplicaciones. Como en los ejemplos expuestos la propiedad de autorrepararse tiene gran potencial y un impacto directo en la industria, desde el ámbito económico al prolongar la funcionalidad del material hasta en el campo de la seguridad, donde se pueden evitar daños críticos. Sin duda, este tipo de materiales inteligentes darán mucho que hablar en campos tan diversos como la automoción, la medicina o la aeronáutica.

Enlaces

Estaciones Espaciales:
http://www.businessinsider.com/self-healing-material-could-instantly-repair-damaged-spacecrafts-2015-8
Pintura de coche:
https://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/scratch.html
Hormigón con bacterias:
https://www.smithsonianmag.com/innovation/with-this-self-healing-concrete-buildings-repair-themselves-180955474/
Asfalto:
http://selfhealingasphalt.blogspot.com.es/p/background-principle.html
TEDxDelft Asfalto:
https://www.ted.com/talks/erik_schlangen_a_self_healing_asphalt?language=es