Ingenieros de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad de Houston han publicado un artículo en Proceedings of the National Academy of Sciences que detalla un nuevo material compuesto con una capacidad de “autocuración” no muy diferente a la del icónico T-1000 de la franquicia cinematográfica “Terminator”. El compuesto de polímero reforzado con fibra (FRP) descrito en el artículo de investigación podría hacer que naves espaciales, aviones, automóviles y turbinas eólicas duren siglos.
Se promociona que el compuesto autorreparable es prácticamente inmune a la delaminación, una falla común en los materiales compuestos donde las capas se separan debido a grietas. Los investigadores afirman que este nuevo material puede reparar estas separaciones más de 1.000 veces. El diseño único de este sistema de autorreparación permite que la curación se produzca sin necesidad de desmontarlo. El proceso de reparación podría incluso automatizarse con sensores que detecten daños e inicien la autocuración.
Si se implementa con éxito, esta innovación tiene el potencial de revolucionar las industrias aeroespacial y de energía renovable al aumentar significativamente la vida útil de los componentes críticos. Estos incluyen palas de turbinas eólicas, carrocerías y componentes estructurales de automóviles, fuselajes de aviones y diversos conjuntos de naves espaciales. Un compuesto de este tipo también puede hacer más que reducir costos; también puede ayudar a mejorar la seguridad y la sostenibilidad ambiental, la última de las cuales es un problema importante para los compuestos de FRP. Para poner esto en perspectiva, se proyecta que por sí solas las palas de las turbinas eólicas generarán 43 millones de toneladas de desechos en todo el mundo para 2050. Estos compuestos de FRP autorreparables tienen el potencial de reducir la carga inminente en los vertederos y el medio ambiente al retrasar el eventual desmantelamiento de los componentes fabricados con materiales compuestos.
Un enfoque termoeléctrico para la autocuración
Los compuestos poliméricos abarcan desde fibra de carbono y fibra de vidrio hasta diversas aramidas e incluso fibras de basalto, siendo las dos primeras ampliamente adoptadas en aplicaciones aeroespaciales y de energía renovable. Los compuestos de FRP son fuertes y livianos, pero son propensos a sufrir una falla común llamada delaminación, donde las fracturas pueden causar que las capas se separen. La delaminación es en parte la razón por la que los componentes de FRP tienden a tener una vida útil limitada de 15 a 40 años.
Este material autorreparable soluciona el problema de la delaminación incorporando una capa intermedia de poli(ácido etileno-co-metacrílico) (EMAA) impresa en 3D a intervalos estratégicos dentro del compuesto de FRP. Los investigadores afirman que las capas de EMAA por sí solas aumentan la capacidad del material base de FRP para resistir la delaminación de dos a cuatro veces, y eso es antes de aprovechar la naturaleza termoplástica del material.
Estas capas de EMAA incrustadas se combinan con un elemento calefactor delgado y eléctricamente resistivo que puede derretir el termoplástico según sea necesario. El proceso de calentamiento hace que el EMAA fundido fluya hacia espacios, grietas y microfracturas dejadas por la delaminación, uniendo permanentemente las capas fracturadas. La capa calefactora resistiva solo funde las capas de EMAA sin afectar la integridad de la matriz polimérica, lo que potencialmente permite siglos de uso.
¿Se mantendrán los impresionantes resultados de laboratorio en el mundo real?
Ampliar la vida útil de los productos FRP también puede ayudar a reducir los residuos, por ejemplo, mejorando la vida útil de las turbinas eólicas. Esto no habría sido posible con intentos anteriores de crear compuestos de fibras autorreparables, que estaban limitados por su pequeño número de ciclos de autorreparación. Sin embargo, los científicos detrás de este avance esperan que este enfoque permita aproximadamente 125 años de uso con ciclos de curación trimestrales, o hasta 500 años con un arreglo de curación anual. Las implementaciones más desafiantes también pueden combinarse con sistemas equipados con sensores que pueden detectar daños y provocar reparaciones según sea necesario.
Si bien todo esto suena genial en el papel, estos resultados se basan en pruebas realizadas en condiciones de laboratorio, con el ciclo de curación y las afirmaciones de durabilidad basadas en modelos estadísticos que no necesariamente reflejan aplicaciones prácticas. Las condiciones del mundo real pueden ser brutales y exponer fallas en los modelos estadísticos de durabilidad de los investigadores. Además, el mecanismo de curación subyacente basado en EMAA se basa en iones hidroxilo presentes en la superficie de los compuestos de fibra de vidrio para garantizar una unión sólida. Las fibras de carbono, sin embargo, son más inertes químicamente y carecen de estos iones hidroxilo, lo que hace que el proceso de curación sea menos efectivo para los compuestos de fibra de carbono, que también constituyen una gran parte de las aplicaciones aeroespaciales.
El equipo de investigación ya patentó el proceso compuesto autorreparable y lo autorizó a través de Structeryx Inc, una startup especializada en materiales compuestos estructurales. No es raro que tecnologías prometedoras, como el asfalto autorreparable de Google, nunca lleguen a nada en la vida real, pero las probabilidades de que esta tecnología compuesta autorreparable llegue a algo parecen relativamente prometedoras.
