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Compite con la espuma de aluminio y la de poliestireno expandido

Espuma metálica de muy baja densidad

Pascual Bolufer, Instituto Químico de Sarrià16/02/2012

16 de febrero de 2012

Los laboratorios HRL, en colaboración con la Universidad de California, EE UU, lograron el pasado noviembre desarrollar una espuma metálica de poro abierto de una densidad de 0,9 mg/cm³, una aleación de níquel-fósforo (93% níquel y 7% fósforo) apta para muchas aplicaciones, absorción acústica, electrodos de batería y, sobre todo, aislamiento térmico.

La conductividad eléctrica es menor que la del material denso. La espuma consiste en una microrred, celosía, de tubos huecos perfectamente alineados, mil veces más delgados que el cabello humano, una arquitectura celular ordenada de huecos y sólidos, con sus propiedades solidez, resistencia, etc. Se observa una interacción magnífica entre las propiedades del material y la arquitectura tridimensional. La Naturaleza, en biología, también prefiere el material alveolar, poroso, el hueso, a otras estructuras en el esqueleto, principalmente en las aves, pero también en mamíferos. Sin la estructura alveolar, de poros abiertos, nuestro esqueleto humano pesaría más, para ofrecer el mismo servicio que ahora. El hueso humano es un nanocompuesto que comprende 65% cristales de hidroxiapatita, 25% colágeno, 10% agua principalmente.

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La espuma de HRL sobre la flor de Diente de León. Tan ligera que no la aplasta. Es una microred metálica, que desplazará a los materiales ultra ligeros. Tobias Schaedler y su equipo de HRL crearon la espuma, al recubrir con una capa muy fina de níquel-fósforo una microred polimérica. A continuación eliminaron el esqueleto de microrred polimérica, y quedó solo la espuma metal.

En la espuma metálica HRL el aire ocupa el 99,99% de la espuma y el sólido, el 0,01%. Anteriormente se había logrado un aerogel de Silicio de 10 mg/cm³. Existen pocos materiales ultra ligeros: aerogeles de silicio, aerogeles de nanotubos de carbono, espumas metálicas (11mg/cm³) y espumas poliméricas. El Módulo de elasticidad, o de Young, de la espuma es excelente: es material elástico lineal e isótropo, con un Módulo de Young constante, el mismo valor para una tracción que para una compresión. Una constante que es independiente del esfuerzo, siempre que no exceda de un valor máximo, denominado Límite Elástico. Es siempre mayor que cero: si se tracciona la espuma, aumenta su longitud. En el diagrama Tensión-Deformación cada material tiene su Módulo de Young. Además del Módulo de Elasticidad longitudinal, existe otro Módulo similar: la Elasticidad transversal de la espuma. Lo más importante al pasar de productos micro, los habituales, a nano, la espuma metálica, es el cambio de propiedades físicas y químicas, una transición basada en el aumento de la relación área superficial/volumen y el tamaño de la partícula. Como el área superficial de la partícula nano es mayor, aumenta la interacción con las otras partículas, su fuerza y la resistencia al calor.

Presuponemos la reversibilidad completa de la deformación al cesar la presión. La compresión de la espuma tiene un módulo de 529 kPa. Al suprimir la presión (4,6 mJ/cm³) la espuma recupera su forma hasta el 98% de su altura original. Si repetimos los ciclos presión-deformación logramos la recuperación casi total de la espuma. Desde el punto de vista mecánico estas microrredes se comportan como los elastómeros, y recobran su forma después de la compresión. Esto es una ventaja sobre los aerogeles normales, que son frágiles, de aspecto vítreo. La pared de los microtubos debe ser lo más delgada posible, en la espuma HRL es de 100 nanómetros. La microrred metálica es un material metálico poroso sintético, con alveolos muy ordenados: una espuma. Las espumas de polímeros viscoelásticos y de nanotubos de carbono presentan gráficos parecidos de presión-deformación. El grano de 7 nm produciría una espuma frágil, pero la arquitectura celular, y su periodicidad, de la espuma HRL, da un producto dúctil, superelástico, con suficiente libertad para la deformación y tolerancia a las deformaciones locales, las fracturas son pequeñas y estables. La torre Eiffel, y el puente Golden Gate son muy ligeros y eficientes en peso, gracias a la arquitectura, la proporción de sus módulos componentes, eso mismo pretende la espuma metálica en la escala nano.

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Espuma de HRL Laboratories, Malibu, California. Microrredes de Níquel, de una densidad de 14 mg/cm³. La espuma (A) a la izquierda, antes de la deformación.(B) 15% de deformación.(C) 50% de deformación. Al suprimir la compresión recupera totalmente la forma, como en (A).

El proceso de síntesis

Para preparar la máscara inicial sirve el proceso Sol-Gel: unos coloides sometidos al movimiento browniano que se autoensamblan. Es una solución coloidal, que actúa como precursor para formar el Gel líquido-sólido (integrado por partículas, o una red de polímeros en forma de fibras) sometido a varias formas de hidrólisis y reacciones de policondensación.

El primer paso es lograr una máscara polimérica microrred de tubos huecos, distribuidos en hileras y ángulos. Se trata de un prototipo de fotopolímero con una estructura que se autopropaga, para formar la red tupida de tubos ordenada. Cada unidad-octaedro está formada por 14 tubos formando ángulos de 60 y 120º. Esa ordenación es lo más importante. HRL no da más datos. En la espuma hay 3 niveles: (1) La célula, con longitud de centímetros; (2) el tubo, con longitud entre un milímetro y una micra; y (3) el espesor de la pared del tubo, unos 100 nanómetros. Para lograr esa máscara de resina se emplea luz ultravioleta (365 nm), con un ángulo variable de incidencia, que graba el polímero, y alcoholes.

Hasta ahora, las espumas que conocíamos estaban formadas por alvéolos situados aleatoriamente en la matriz. El hueso tiene oquedades, pero distribuidas aleatoriamente. Hay dos tipos de espuma (entre 0,03-0,2 gr/cm³): de poros interconectados y de poro cerrado. Nos interesa ésta última.

El segundo paso es recubrir esa máscara-bosque de tubos con una película muy fina de níquel-fósforo (Ni-P), de un espesor de 100 nm, grosor que puede variar. El tamaño del grano de la película es de 7 nm. La cobertura alcanza no solo las caras exteriores de la espuma, sino también cada uno de los tubos huecos interiores. Otro prodigio. Este recubrimiento de níquel-fósforo está soportado por una estructura: la microrred-máscara, ya citada.

El tercer paso es eliminar la estructura, el polímero de la máscara, sin que se derrumba la microrred de Ni-P. Un disolvente eliminará al polímero, y nos quedará lo más deseado, la espuma ultraligera compresible, de una densidad de 0,9 mgr/cm³. La densidad del aire es 1,2 mgr/cm³.

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Es una nanorred de 100 nanómetros de longitud, que simula moléculas de RNA de autoensamblaje en el interior de la célula de una bacteria, producto de la biología sintética. No está recubierta de níquel-fósforo, por ello no sirve como nanoespuma, porque al deformarla y retirar la presión, no recupera la forma primitiva.

Cálculo de la densidad de la espuma

Es el peso de la estructura sólida, sin contar el peso del aire en los poros (0,9 mg/cm³). La densidad del aire a temperatura ambiente, 25 °C, es de 1,2 mg/cm³. Si en el peso incluimos el aire interior de la pieza, la densidad es de 2,1 mg/cm³. Es una espuma unas 100 veces más ligera que el Styrofoam, de Dow Chemical (porespan), a base de poliestireno expandido, de gran capacidad de absorción de impactos y aislante térmico. También se usa en embarcaciones. En España la Norma Básica de Edificación NBE-CT79 clasifica en 5 grupos distintos al poliestireno expandido según la densidad y la conductividad térmica.

La síntesis industrial de tubos huecos microscópicos de HRL no debe extrañar a nadie, porque la Naturaleza los produce en abundancia, por ej.: vasos capilares de la sangre, en las neuronas, los neurotúbulos y neurofilamentos. Nosotros imitamos a la Naturaleza.

Es un proceso similar al de la fotolitografía. En ella se expone a la luz una placa fotosensible, de halogenuro de plata, sales de plata, un fotopolímero, que se ennegrece al contacto con la luz. Así se obtiene el fotolito para la impresión en offset, huecograbado, etc. También nos sirve la Flexografía, una técnica de impresión en relieve. La plancha era antes hule vulcanizado, ahora es un fotopolímero flexible, que se adapta a una clase de soportes de impresión muy variados.

Espumas metálicas de 0,2 gr/cm³ en España

Aquí diversas empresas desarrollan espumas metálicas, pero de una densidad 10-30 veces superior a la espuma HRL. También se llaman Metales Celulares, un campo preferente de investigación de nuevos materiales. Dada su estructura y extraordinaria ligereza tienen un sinfín de aplicaciones. Aquí fabricamos dos tipos: con una estructura abierta de poros interconectados, como una esponja de baño, o con una estructura de poros cerrados, no conectados entre sí. Sus propiedades son una mezcla del metal del que están formadas y las derivadas de su estructura peculiar: una combinación de propiedades físico-químico-mecánicas muy especiales, unas propiedades multifuncionales que, en la actualidad, no están cubiertas por otros materiales. Ofrecen nuevas prestaciones por su excelente relación rigidez/peso, durabilidad, etc. Un ejemplo es la variación de conductividad (inverso de la resistividad) cuando deformamos una espuma de nanotubos de carbono. Esta propiedad se debe a la especial configuración electrónica, que le confiere la red hexagonal de enlaces covalentes C-C, doblada sobre sí misma para formar el nanotubo. Es el fenómeno de la Piezorresistividad, de prometedor uso en el diseño y desarrollo de sensores de deformación. La fabricación de espumas de poro cerrado se ha centrado casi exclusivamente en el aluminio, mientras que espumas de otras aleaciones todavía necesitan un desarrollo más amplio (acero, cobre). Las planchas de material espumado se usan en atenuación de ruidos, sistemas de protección contra incendios, estructuras de poco peso, seguridad pasiva, resistentes al impacto en automóviles. También se emplean espumas en productos tipo sándwich y con formas geométricas complejas.

Las espumas metálicas de poro abierto tienen menos interés, porque usan materiales de relleno y cualquier tipo de metal: Al, Cu, Mg, Fe, acero, etc. Con aplicaciones en fundición, pulvimetalurgia, deposición química, etc. El hueso es una estructura de poro abierto. En el tipo No Metálico hay espumas viscoelásticas de poro abierto a base de espumas vegetales, con capacidad para disipar la humedad, y espumas a base de aceites naturales de alta resistencia (polioles activos).

Las espumas metálicas tendrán un crecimiento industrial a corto y medio plazo, dado que responden perfectamente a las exigencias de aligeramiento de estructuras, envase y embalaje, seguridad en transporte, disminución de ruidos, mejora en el rendimiento de procesos industriales, y a un coste competitivo. La investigación más importante en España se centra en Inasmet.

Referencias

  • Alberdi, C, Espumas metálicas. Inasmet 2011.
  • Belbruno, M. Multiphoton induced chemistry of phenol in hexane at 266 nm. Chemical physical letters 167-1990.
  • Gibson, L.J. Cellular solid: Structure and properties. Cambridge University Press 1997.
  • Kumar, L. World’s lightest material unveiled. BBC News 18 November 2011.
  • Schaedler, T.A.Ultra light metallic microlattices.Science 18 Nov.2011
  • Shankland St. Breakthrough material is barely more than air. CNET 18 November 2011.

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