Primeros éxitos de la nanotecnología con polímeros

En la K2001 la nanotecnología ya era un tema de actualidad. Hace tres años había dejado de ser pura ficción, si bien todavía dibujaba una gran laguna en el mapa de la ciencia de materiales. Desde entonces hasta hoy, científicos de todo el mundo se han adentrado cada vez más en el nanocosmos y han realizado sorprendentes descubrimientos que han dado pie a nuevas esperanzas y especulaciones. También se han conseguido resultados concretos. Algunos ejemplos prácticos y los primeros éxitos comerciales ponen de manifiesto las múltiples posibilidades que brindan estos "enanos". La K2004, la Feria Internacional del Plástico y del Caucho, que se celebrará del 20 al 27 de octubre del presente año en Düsseldorf, pondrá en relieve su potencial para el futuro.

La nanotecnología se considera una de las tecnologías clave más importantes del recién estrenado siglo XXI. La miniaturización de los materiales supone sobre todo para la química y, por consiguiente, para la química polimérica, un sinfín de posibilidades de diseño. Pueden desarrollarse plásticos a medida para aplicaciones muy concretas, onanoclays (nanopartículas de arcilla), con las que se mezclan materiales polímeros tradicionales, optimizando sus propiedades características. Los expertos están convencidos de que la nanotecnología cambiará nuestras vidas de forma casi tan radical como las telecomunicaciones modernas.

El metal se transforma en color
Un nanómetro equivale a la millonésima parte de un milímetro. La siguiente unidad mayor es el micrómetro; es decir, la milésima parte de un milímetro. Cada micrómetro, de por sí pequeñísimo, se subdivide en 1000 nanómetros. Dicho de otro modo: un nanómetro es a un metro lo que una canica a la Tierra.

Este minimundo ("nanos" proviene del griego y significa "enano") se rige por reglas distintas. Aquí se aplican las leyes de la mecánica cuántica. Ésa es una de las razones por las que en este imperio de lo diminuto las cosas se presentan de forma distinta a como lo hacen en el mundo macroscópico: los metales se transforman en colorantes, la cerámica se torna transparente como el cristal y el cristal adquiere la viscosidad de la cola fuerte.

Se ha avanzado mucho
Este universo de lo minúsculo nos depara sorpresas mayúsculas. Desde la K2001, hace tres años, en la que la nueva nanocultura empezaba a dar tímidamente y con cuentagotas sus primeros pasos, se ha avanzado mucho. Hasta el momento se han conseguido excelentes resultados iniciales, que se han empezado a aprovechar comercialmente. En el mercado puede verse un número cada vez mayor de nuevos productos y aditivos cuyo nombre empieza por "nano", prefijo utilizado desde hace tiempo como instrumento de marketing. Científicos e ingenieros de todo el mundo se devanan los sesos ante productos cada vez más complejos de dimensiones nanométricas, o ante componentes de tamaño miles de veces inferior a un cabello.

Pero la auténtica novedad de esta tecnología no consiste en fabricar partículas nanodimensionales. No es ése el arte, puesto que el conocimiento del procedimiento de fabricación se remonta a varias generaciones. El avance auténtico, real, es que ahora se dispone de los conocimientos y de los recursos técnicos necesarios para diseñar y mezclar de forma controlada estas partículas diminutas. Esto permite crear nuevos materiales con propiedades imposibles de conseguir hasta el momento con el material original. Jos Put, el director de investigación de la división Performance Materials de la empresa holandesa de materias primas DSM, también admite que la tan celebrada nanotecnología de hoy, que se tiene como un gran salto cualitativo tras la tecnología del chip y la biotecnología, no es tan sumamente novedosa. También sabe que en el campo de la química sintética se trabaja desde hace tiempo a escala nanométrica, sólo que actualmente se hace de forma muchísimo más estructurada que en el pasado.

Aprender de la naturaleza
La naturaleza es el modelo a seguir. Porque tanto en las células vivas como en los procesos de la naturaleza todo ocurre a escala nanométrica. De este modo, los investigadores observan cómo se ordenan las moléculas en la naturaleza e intentan emular esas estructuras con materiales sintéticos. Esto sí que podría suponer la auténtica revolución con la que sueñan los ingenieros de desarrollo de las empresas de materias primas. Para crear nuevos materiales mediante química sintética no bastaba con los conocimientos adquiridos del mundo de la nanotecnología. También tenían que darse las condiciones analíticas necesarias para poder evaluar lo que en los experimentos de los laboratorios se está gestando como el "material del siglo XXI". Jos Put afirma con vehemencia: "no ha sido posible visualizar las nanoestructuras hasta que se ha contado con microscopios especiales."

Este investigador de materiales de los Países Bajos admite que no necesariamente se está trabajando en nuevos polímeros (al menos en DSM). Actualmente el principal objetivo que se persigue consiste en mejorar las propiedades de los materiales existentes por medio de la nanotecnología. Para ello el material debe autoorganizarse. Este fenómeno se conoce con la expresión técnica "Self-Assembly" (auto-ensamblaje) y se perfila como un interesante paso previo a futuros diseños de materiales. En el auto-ensamblaje la naturaleza no ejerce de mero modelo; es su impulsora. Jos Put y sus colegas quieren aprender de ella. A pesar de todos los enigmas pendientes por descifrar y de las incógnitas sin respuesta, este investigador holandés ya ha aprendido algo: "todo indica que la nanotecnología ha propiciado el inicio de un nuevo período de innovación"

El negocio del futuro
En opinión de Rolf Mülhaupt, catedrático de la Universidad de Freiburg y director del Centro de Investigación de Materiales de la misma localidad, la nanotecnología es el negocio del futuro. Generará un volumen de mercado estimado de entre doscientos y trescientos mil millones de euros anuales. La mayor parte de dicho volumen correspondería al sector de la electrónica, en el que con nuevas técnicas de estructuración en un rango de pocos nanómetros se prevén grandes avances en la fabricación de chips y la posibilidad de lanzar al mercado unos teléfonos móviles todavía más pequeños, por ejemplo. Por su parte, también al sector de los polímeros le quedaría una porción lo suficientemente grande como para albergar grandes esperanzas. Según Mülhaupt, las vías de investigación principales en el desarrollo de la nanotecnología con polímeros se centran en las superficies nanoestructuradas, los materiales de nanofase y en especial en los nanocompuestos poliméricos basados en nanopartículas modificadas con elementos organófilos.

Las nanocargas constituyen, en opinión de este catedrático de la Universidad de Freiburg, una clase de aditivos completamente nueva encaminada a movilizar las reservas potenciales de los plásticos sin necesidad de cambiar el proceso de fabricación. Puesto que tales nanocargas tienen una gran superficie específica, pueden impulsar provechosas interacciones con el material. Esto significa que en el tejido molecular de los polímeros se generan determinadas estructuras (de corte esquelético) que permiten mejorar distintos parámetros como el efecto barrera o la termoestabilidad sin afectar demasiado a la transformabilidad del material.

Todos contra el fuego
Durante la "Jornada del Plástico de Rudolstadt", celebrada a finales de mayo del año pasado por el Instituto de Investigación Textil y de Plásticos de Turingia, el TITK, la mayoría de los temas tratados giraron principalmente en torno a los nanocompuestos ignífugos. En dicha jornada se presentaron, entre otros, aditivos ignífugos basados en nuevas nanoestructuras, y nanocompuestos con poliamida PA6 para aplicaciones en el envasado o para el acabado de superficies. Asimismo, quedó claro que la intención de las industrias que han realizado una intensa investigación durante años es recoger los frutos de dicho esfuerzo. Una intención totalmente legítima.

La empresa Polykemi, una firma sueca especializada en compuestos, ofrece un plástico, el "Scancomp", basado en poliamida (PA) o en polipropileno (PP) con nanoarcillas como carga, que ya se está comercializando en el mercado alemán. Los aditivos permiten alcanzar módulos de elasticidad de hasta 3.000 MPa, en función del material de base. Según la empresa escandinava, el perfil de propiedades de estos nanocompuestos (mezclas de materias primas con adición de nanoarcillas) se ve ostensiblemente ampliado mediante una cierta proporción del aditivo en cuestión. El sector del automóvil alemán ya cuenta con materiales especiales para los habitáculos a los que les falta muy poco para ser fabricados en serie.

La empresa norteamericana Polyone Corp. de Cleveland, Ohio, ofrece con el concentrado "Nanoblend" aditivos especiales de altas prestaciones basados en nanocompuestos. Éstos están pensados para sustituir a los materiales de refuerzo (minerales y fibra de vidrio) y a los materiales ignífugos tradicionales en los compuestos de los más diversos tipos. Los concentrados "Nanoblend", que contienen un 40% de nanoaditivos sobre distintos polímeros portadores, son un primer resultado de la alianza estratégica de las empresas norteamericanas Polyone y Nanocor Inc. Ésta última es, según sus propias declaraciones, el proveedor más importante de nanoarcillas para plásticos. Los "Nanoblend" suelen aplicarse en pequeños aparatos y en carcasas para uso eléctrico. Sus principales ventajas residen en su alta resistencia ignífuga, unas propiedades físicas más constantes y en una menor generación de calor en caso de incendio, lo que hace que apenas goteen.

La base mecánica
Pero los nanocompuestos no son los únicos que se encuentran en el mercado desde hace tiempo. También se han empezado a comercializar las primeras máquinas para añadir nanoarcillas a la matriz de un determinado plástico. El fabricante de maquinaria de Stuttgart Werner & Pfleiderer, del grupo Coperion, permite con su mezcladora de doble husillo "ZSK Compounder" mezclar ínfimas partículas de carga, incluyendo partículas a escala nanodimensional, con el material de base. Este tipo de aditivos como son, por ejemplo, determinados silicatos de aluminio, presentan una estructura molecular estratificada que los convierte en aditivos idóneos para plásticos poliméricos. El fabricante de maquinaria de Stuttgart ha conseguido separar las distintas capas con una técnica de mezclado especialmente eficaz, y añadirlas tanto a plásticos estándar como a plásticos técnicos.

La experiencia de Werner & Pfleiderer indica que los polímeros mezclados con nanoaditivos presentan un rendimiento optimizado y mejores propiedades mecánicas, a pesar de que la dosis del aditivo es menor en comparación con las cargas convencionales. Otra ventaja que se ha demostrado es el aumento de la resistencia ignífuga de los aislamientos de polietileno para cables. En caso de incendio, en la superficie del cable se forma una corteza que no gotea y que, si bien no impide por completo la entrada de oxígeno y la liberación de gases tóxicos, la dificulta en gran medida. Ésta es otra de las virtudes de estos plásticos mejorados con nanopartículas.

Al quite de los avances
Precisamente a principios de febrero del presente año, el Centro del Plástico del Sur de Alemania (Süddeutsches Kunststoffzentrum) celebró las jornadas técnicas tituladas "Nanotecnología en materiales plásticos", durante las que se abordó el tema de la aplicación de nanopartículas en plásticos de alto rendimiento y sus técnicas de transformación. También se habló de las nuevas posibilidades de ampliar el espectro de prestaciones de los materiales poliméricos con ayuda de otras materias todavía poco conocidas, como los nanocompuestos de PP y de filosilicatos de HDPE. Según el balance realizado por el servicio alemán de información sectorial "Kunststoff Information" de Bad Homburg, se había avanzado mucho desde las últimas jornadas del Süddeutsches Kunststoffzentrum, celebradas dos años antes.

Es evidente que en el ínterin los usuarios no sólo han hecho uso de los nuevos materiales del sector, sino que además han aprendido a manipularlos. Una proporción de nanopartículas que no supera el cinco por ciento del peso del plástico permite mejorar de forma extraordinaria su espectro de propiedades, aumentar la resistencia mecánica sin necesidad de aumentar la densidad y mejorar la termoestabilidad reduciendo en cambio la permeabilidad a los gases.

Durante las jornadas técnicas se vio asimismo que aspectos como la gran cantidad de nanocompuestos posibles, la ingeniería de procesos y la falta de una definición satisfactoria del sistema de control de la calidad hacen que las medianas empresas de transformación no vean nada clara la implantación de estos nuevos materiales. Según "Kunststoff Information", a menudo no confían suficientemente en ellos para decidirse por su aplicación. Otro factor a tener en cuenta es el precio: el kilo de nanopartículas especiales cuesta alrededor de 100 euros y el precio de los aditivos para recubrimientos antirayaduras, antiestáticos y transparentes se eleva a 1.000 euros por kg. Por no hablar del precio de los "nanodiamantes" que vienen de la lejana Siberia, que puede llegar a ser de 5.000 euros por kg. Tan caros como el caviar ruso. Aunque no sólo de caviar vive el hombre...

Artículo especializado No. 03, publicado por la oficina de prensa de K 2004