Un estudio de la UVA identifica el papel del CO2 en la mejora de propiedades mecánicas de los polímeros nanocelulares

VALLADOLID 2 Sep. (EUROPA PRESS) -

Un estudio internacional liderado por el Laboratorio CellMat demuestra por primera vez que las propiedades de los polímeros nanocelulares no dependen únicamente de sus poros, sino también de cómo se trata el material durante su fabricación

La investigación, publicada recientemente en la revista científica Advanced Materials, representa un cambio de paradigma en la ciencia de los materiales. El trabajo revela que el proceso de saturación con dióxido de carbono (CO2), paso clave para crear estas espumas, modifica de forma duradera el estado termodinámico de la matriz del polímero. En otras palabras: el polímero investigado, la polieterimida (PEI), cambia su comportamiento, independientemente de los poros, ante su saturación con CO2 a determinadas condiciones de presión y temperatura.

Durante décadas, la ciencia de los materiales ha sostenido que las propiedades mecánicas de las espumas nanocelulares dependían principalmente de los millones de poros microscópicos que albergan en su interior. Sin embargo, una investigación del laboratorio CellMat de la Universidad de Valladolid, en colaboración el grupo SMAP dirigido por el investigador de la UVa Alberto Tena y con investigadores de las universidades de Helsinki e Eindhoven, aporta evidencias que cuestionan esta explicación al demostrar que el gas utilizado para fabricar esas burbujas, CO2, modifica de forma duradera el comportamiento mecánico del material, incluso después de que el gas haya desaparecido completamente e incluso en ausencia de los poros.

"Toda la literatura científica, hasta ahora, sostenía que cuando el tamaño de las burbujas que hay en la espuma baja a la escala nanométrica, las propiedades mecánicas del material cambian. Lo único que se tenía en cuenta para las propiedades finales mecánicas eran los poros. Sin embargo, nuestro estudio desmiente eso, demostrando que no solo los nanoporos tienen importancia, sino que el estado del polímero es muy importante. Y que ese estado del polímero lo estamos cambiando cuando hacemos el proceso para generar la espuma", contextualiza Judith Martín de León, investigadora de la UVa y coautora del estudio.

AISLADO EL EFECTO DEL GAS

Para llegar a esta conclusión, el equipo investigador se propuso aislar el efecto del gas, ya que como explica Félix Lizalde, primer autor del paper, "hasta ahora, nadie se había parado a estudiar el efecto del gas durante el proceso de fabricación porque pasaba desapercibido y se camuflaba con el resto de las propiedades de la espuma. Ahí nosotros nos dimos cuenta de que el proceso también influye y tiene un papel muy importante".

El experimento planteado por el equipo investigador en el marco de la tesis doctoral de Lizalde consistió en someter muestras de polieterimida sólida a diferentes cantidades de CO2, pero sin realizar posteriormente el proceso de espumado que genera los poros.

Después dejaron que el gas se eliminara completamente del material y comprobaron que, tras 24 horas a temperatura ambiente, el CO2 había desaparecido, el material no había desarrollado nanoporos y su comportamiento mecánico había cambiado. Estos resultados indican que el CO2 no actúa únicamente como un elemento temporal necesario para fabricar los nanoporos, sino que, durante el proceso, también modifica el estado interno de la matriz polimérica.

Así, la polieterimida saturada con CO2, incluso cuando libera todo el gas, muestra un menor límite elástico y un incremento en la ductilidad, así como una mejor respuesta al impacto. El efecto comienza a hacerse especialmente evidente cuando la cantidad de CO2 absorbida supera aproximadamente el 10 % en peso.

En esas condiciones, la tensión necesaria para que el material comience a deformarse disminuye, mientras aumenta su capacidad de deformación antes de la rotura. "Para que lo entendamos: el polímero sin tratar es frágil. Tú le das un golpe y se rompe en mil pedazos. Mientras que el tratado con CO2 es dúctil, lo que significa que le das un golpe, se deforma absorbiendo el impacto, y no se rompe en mil pedazos", explica Martín de León.

Esta capacidad de absorber grandes cantidades de energía antes de la fractura es una característica altamente codiciada por industrias como la automovilística o la aeronáutica para fabricar componentes estructurales y de seguridad.

Tras este hallazgo que cambia el paradigma de la ciencia de los materiales, los investigadores ya exploran cómo afecta este tratamiento basado en gas a otros polímeros amorfos mucho más comunes, como el polimetilmetacrilato (PMMA).

"Actualmente estamos buscando confirmar que los resultados obtenidos en esta investigación son extrapolables a otros materiales como el PMMA y, los primeros resultados indican que efectivamente lo son, que esto es algo que no se ha tenido en cuenta hasta ahora y se debería tener en cuenta. Además, es importante considerar que esto no sirve solo para las espumas. Hemos descubierto que con el CO2 somos capaces de modificar los entresijos o las tripas del polímero", adelanta Lizalde.