Polímeros que recuerdan su forma

Los polímeros con memoria o polímeros que recuerdan su forma pertenecen al grupo emergente de los "Materiales Inteligentes", que pueden cambiar de manera radical el concepto de diseño de producto. Una pieza fabricada con un polímero con memoria (del inglés "shape memory polymers", SMP) vuelve a su forma original después de haber sido transformada a diferentes formas. Este proceso dinámico de cambio y recuperación puede suceder numerosas veces, haciendo que las piezas fabricadas con SMP sean ideales para aplicaciones que requieren múltiples niveles de funcionalidad o que son empleadas en ambientes estocásticos.

Estas aplicaciones varían desde lo exótico hasta lo mundano. Por un lado, se encuentra la aplicación potencial del cambio de forma de las aeronaves durante el vuelo. Las implicaciones para el desempeño de estas aeronaves son inmensas. Por ejemplo, la Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados en Defensa (Darpa), el principal grupo de investigación y Desarrollo del Departamento Americano de Defensa, ha iniciado el programa de "Estructuras Cambiantes para Aeronaves" que este verano probará dos alas con piel de SMP, diseñadas para cambiar de forma en un 150% o más durante el vuelo.

En campos más convencionales, se ha trabajado en la forma de aplicar los SMP como ayudantes de fabricación. Una aproximación proveería piezas compactas para automóviles, para ser ensambladas en lugares difíciles de encajar. Una vez instaladas, las piezas serían expuestas a un mecanismo de activación que las haría retornar su forma original, es decir, se volverían más grandes. Algunas de las partes propuestas son ductos y componentes de lámparas.

De hecho, los SMP pueden ser adecuados para diversos productos. Tanto proveedores como usuarios finales están evaluando aplicaciones en varios electrodomésticos, juguetes, dispositivos para implantes médicos, construcciones y productos para construcción, bienes recreativos y componentes para la industria. Incluso, los SMP han sido propuestos como herramientas, ya que su capacidad de cambiar de forma puede agilizar la disposición y desmolde en algunos procesos.

Nivel de desarrollo actual
Los polímeros que recuerdan su forma han estado disponibles desde hace 20 años. Sin embargo, los proveedores son relativamente pocos. Los desarrollos se han intensificado en la última década de manera paralela con los avances que se han presentado en otros materiales inteligentes, como los polímeros iónicos, los fluidos magneto/electro-reológicos, y las aleaciones metálicas que recuerdan su forma, entre otros. Todos estos materiales cambian de forma como respuesta a un estímulo -- de allí el término "materiales inteligentes". Como resultado, incluyen un elemento dinámico en el diseño que puede llevar a la adaptación del desempeño del producto en ambientes cambiantes.

Para maximizar el potencial de diseño de los SMP, los ingenieros deben pensar en una forma muy innovadora. Muchos ingenieros trabajan con el diseño pasivo, es decir, estructuras predecibles fabricadas con materiales con propiedades definidas. "Un sistema pasivo no puede cambiar", dice Lynn Yanyo, Gerente General de Ventas y Mercadeo de Lord Corp., Cary, N.C., que provee fluidos magneto/electro-reológicos. "Los ingenieros diseñan productos sobredimensionados basados en los cambios que afectan el producto, de tal forma que aseguran que ninguno de ellos causará una falla. Un material que cambia su forma, rigidez u otro comportamiento, se puede optimizar para diferentes condiciones de entrada"

Los polímeros con memoria han sido manipulados a nivel molecular para cambiar su forma como respuesta a un estímulo llamado activador. El activador más común es el calor, pero actualmente se están llevando a cabo estudios para realizar activación con electricidad y luz de alta frecuencia. El beneficio de estos activadores es la velocidad, ya que la activación y el cambio de forma se realizarían de una manera más rápida que con calor. En algunas aplicaciones, a la activación la precede una actuación, una fuerza mecánica externa que cambia la forma del polímero comprimiéndolo o doblándolo, o algún otro medio. Esta técnica es empleada en el diseño de alas con diseños cambiantes. Una vez la piel de SMP es activada por medio de calor, una serie de actuadores y controles de posición estiran la piel hasta que alcanza la forma deseada. Cuando el material se enfría, puede permanecer en esta forma de manera indefinida. Cuando es reactivado, la piel vuelve a su forma original. En otras aplicaciones, la activación es todo lo que se necesita para obtener la forma deseada. El rango de estiramiento de la mayoría de los SMP varía entre un 100% y un 300%.

La química detrás de los cambios de forma varía de polímero a polímero, y los proveedores poseen su propia tecnología. Sin embargo, algunos métodos de cambio de forma son comunes en muchos polímeros. Basándose en la literatura publicada, se puede decir que una parte de estos materiales son copolímeros con bloques duros y blandos que alcanzan sus propiedades a través del uso de estructuras reticuladas (química o físicamente), lo cual determina el hecho de recordar la forma original. Al mismo tiempo, poseen segmentos que actúan como interruptores de los activadores de temperatura, que activan el cambio de forma temporal.

La mayoría de los SMP son rígidos y tienen un alto módulo en su forma original. La activación hace que el módulo disminuya, brindando así una mayor elasticidad que permite la manipulación del material en diferentes formas. El polímero se debe calentar por encima de su temperatura de transición vítrea (Tg) para cambiar. Esto activa el segmento interruptor y permite que el material cambie en diferentes formas, con o sin actuadores. La temperatura de transición vítrea Tg a la cual se desea que se lleve a cabo la activación se puede formular dentro del polímero.

Aplicaciones comerciales
Los polímeros con memoria pueden ser termoplásticos o termoestables. Algunos proveedores trabajan con termoestables por las propiedades estructurales que poseen, junto con su resistencia química y a la temperatura. "Las propiedades físicas necesarias para alcanzar estructuras de alto desempeño generalmente se encuentran en los polímeros termoestables" afirma Ernie Havens, Jefe de ingeniería en CRG industries LLC, Dayton, Ohio. CRG es el proveedor de Veriflex, un termoestable de estireno, completamente reticulado, a base de dos componentes.

Composite Technology Development (CTD) Inc., Lafayette, Colo., también utiliza polímeros termoestables. Su línea de Tembo Elastic Memory Composites se fabrica a base de epóxido y éster cianato, y como refuerzo emplean carbón u otras fibras en porcentajes hasta de 40%, dice Michael Tupper, vicepresidente. Las principales aplicaciones de los SMP de CTD incluyen automóviles, aplicaciones de alta temperatura y partes desmoldables para satélites, como cables para vuelos espaciales.

Otros proveedores emplean termoplásticos. Diaplex, un SMP producido por Mitsubishi Heavy Industries Ltd., Nagoya, Japón (con oficinas en Los Ángeles E.U.) es fabricado a partir de poliuretano termoplástico. Las aplicaciones de este material incluyen manijas o implementos del hogar que pueden cambiar de forma para que sean manipulados de manera más sencilla por personas con problemas de artritis, y tubos rígidos en forma de V que se suavizan por efecto de la temperatura del cuerpo humano.

Las películas de Diaplex también han sido utilizadas en "ropa inteligente". Este producto se emplea en una membrana laminada que se usa para la fabricación de chaquetas que regulan la temperatura corporal. El laminado se activa por medio de vibraciones térmicas cuando la temperatura del cuerpo supera un punto previamente establecido. La vibración suaviza la membrana y crea microporos que permiten que el calor y el vapor salgan. La permeabilidad aumenta a medida que la temperatura del cuerpo es mayor, para que el usuario permanezca cómodo. Cuando la temperatura del cuerpo disminuye por debajo del punto establecido, la membrana recupera gradualmente su rigidez, disminuyendo la permeabilidad y conservando el calor. Las temperaturas de referencia se formulan dentro de la membrana, de manera que se pueden diseñar prendas para clima frío o para utilizar al exterior.

Bayer MaterialScience, de Leverkusen, Alemania, se encuentra en las primeras etapas de desarrollo de SMP basada en su tecnología de poliuretano termoplástico. Algunas compañías han trabajado versiones de SMP a base de PET, nylon 6, PE y polivinil acetato.

Una aplicación importante son las suturas biodegradables termoplásticas que emplean su capacidad de recordar la forma para auto amarrar nudos quirúrgicos a la presión adecuada, optimizando la curación de las heridas. Las suturas son fabricadas por MnemoScience GmbH, Aachen, Alemania, una compañía creada para comercializar la tecnología, la cual fue desarrollada en el Massachussets Institute of Technology, MIT. Las suturas son extruídas en microfilamentos y son capaces de estirar hasta en un 200%. El proceso consiste en hacer un nudo suelto con la sutura en la herida. En una prueba, la activación se lleva a cabo a 41°C, lo que hace que la sutura tienda a volver a su forma lineal original, haciendo que el nudo se amarre en aproximadamente 20 segundos a una presión de 1.6N in-vitro, y a 0.1N en un laboratorio animal. Se dice que esta fuerza es suficiente para lograr la curación de la herida sin provocar necrosis en el tejido circundante, por efecto de un nudo muy ajustado, o la formación de cicatrices gruesas, por un nudo muy suelto. La sutura auto-amarrable se emplea en procedimientos poco invasivos, como cirugías por endoscópias, donde las incisiones son tan pequeñas que no es fácil realizar una sutura manual.

CRG ha desarrollado una aplicación innovadora para los SMP en el maquinado de materiales compuestos -- por ejemplo un mandril para partes tridimensionales, como ductos. Al polímero se le da una forma cilíndrica flexible que es su forma original, la que recuerda. Posteriormente la pieza se coloca en un molde de preforma donde se activa con calor para tomar la forma de la pieza terminada. Una vez se enfría, el mandril se desmolda y se emplea para curar las piezas. El desmolde se lleva a cabo al recalentar el mandril para que vuelva a su forma original, lo que facilita su remoción del ducto. CRG dice que esta técnica reduce los costos de maquinado y fabricación en un 50%.

Adaptación del artículo presentado en el foro de Nuevas Tecnologías de ANTEC 2005.
Divulgación autorizada por la Sociedad de Ingenieros Plásticos, SPE