Nanotecnología

Materiales nanoestructurados con capacidad de autolimpieza y protección contra la corrosión

El mundo de la tecnología es diverso, lleno de aplicaciones y día a día nos sorprende con nuevos desarrollos e innovaciones. Detrás de un nuevo producto que hace su aparición en el mercado hay una compleja actividad de investigación, diseño, desarrollo e innovación, derivada de un conocimiento acumulado que traza una línea de tendencia hacia resultados cada vez más complejos pero con una riqueza incremental en eficiencia y utilidad.repelente  Así, por ejemplo, con la evolución hacia el control de la materia a escalas del nanómetro -que da lugar a la era de la nanotecnología-, se están consiguiendo sorprendentes resultados en la manufactura de productos con novedosas propiedades y aplicaciones de alto impacto. Uno de los sectores favorecidos por los avances de esta era nanotecnológica, es sin lugar a duda, el de los recubrimientos de superficies [1-2]. Recubrimientos capaces de proteger diferentes tipos de superficies contra la suciedad, la corrosión, desgaste, gelación, etc.  A diferencia de muchos de los productos convencionales, los recubrimientos a base de nanotecnología no forman una capa superficial, sino que por el contrario interactúan íntimamente con el material tratado, ofreciendo mayor durabilidad y resistencia ante diversas condiciones climáticas.  Específicamente con el uso de nanopartículas de dióxido de silicio se están manufacturando y comercializando productos utilizados en diferentes tipos de supericies y con funciones de autolimpieza y protección.

 

Nanopartículas de dióxido de silicio para manufactura de recubrimientos superhidrofobicos El dióxido de silicio es uno de los compuestos más abundantes en el planeta. Es el principal componente de los materiales naturales como la arena y el cuarzo. Está conformada por 4 átomos de oxígeno y un átomo de silicio, que generan una red tridimensional muy resistente, pero a su vez variable, ya que el enlace formado entre el oxígeno y el silicio es flexible y su ángulo puede encontrarse entre 100° y 170°. La fabricación de nano-recubrimientos de dióxido de silicio se realiza mediante el proceso conocido como sol-gel, una técnica de polimerización inorgánica (figura 2) donde una solución coloidal es sometida a diversos cambios químicos (hidrólisis, oxolación, olación) y físicos (envejecimiento y secado), para finalmente generar productos adaptables a cada tipo de necesidad [3]. figura 1La función principal de la mayoría de los nano-recubrimientos de dióxido de silicio disponibles en el mercado, es brindar protección duradera y efectiva contra la humedad, las grasas y la contaminación, para cualquier tipo de material. Entre algunas de las ventajas que ofrece el óxido de silicio como material para la manufactura de recubrimientos están: i) Son nano-recubrimientos invisibles al ojo humano y no alteran la percepción visual del material tratado. ii) Protección contra la humedad, la grasa y la contaminación, ésto como resultado de las modificaciones a nivel nanométrico que se realizan en las moléculas de dióxido de silicio. iii) Pueden ser aplicados a una gran variedad de materiales, absorbentes y no absorbentes. Aunque el principio activo de estos recubrimientos sea siempre el dióxido de silicio, hay ciertos grupos de anclaje que son modificados para generar mayor afinidad con cada tipo de sustrato tratado. iv) Se caracterizan por su baja toxicidad. v) Son resistentes a los rayos solares y cambios de temperatura como ocurre con el cuarzo y la arena. Aplicaciones industriales del dióxido de silicio Existe una gran variedad de aplicaciones derivadas del uso de nanomateriales para manufactura de recubrimientos: En prendas de vestir, para mejorar su resistencia a manchas y suciedad Un tejido como el algodón, puede transformarse fácilmente en un tejido resistente a las manchas ocasionadas por derrames accidentales de líquidos [4]. A nivel industrial este tipo de productos ya son aplicados en prendas de reconocidas marcas.

En materiales de construcción con propiedades antiadherentes figura 2Para quienes buscan aplicaciones orientadas hacia la construcción, éste es uno de los campos donde la nanotecnología ofrece una amplia gama de soluciones: Desde recubrimientos contra la humedad para materiales absorbentes (figura 3) como ladrillos y concretos, hasta recubrimientos contra la humedad, las grasas y la suciedad, ideales para la protección de baños y cocinas [5-6]. Los recubrimientos nanoestructurados conservan algunas propiedades de la superficie sin tratar como lo es, por ejemplo, su respirabilidad. La filtración de la humedad deja de ser un problema en materiales tan delicados como el ladrillo debido a su capilaridad. Autos protegidos de la suciedad Quizás uno de los usos más populares de la nanotecnología en estos momentos en países como México, es la aplicación de nano-recubrimientos que evitan que el agua y la suciedad se adhieran fácilmente a los vidrios y la pintura de los autos [7]. El objetivo con este efecto es por una parte, disminuir la frecuencia de lavado de los automóviles, conservando su limpieza por más tiempo. Además mejorar las condiciones bajo las cuales se conduce, especialmente cuando los factores externos resultan desfavorables, como cuando se conduce bajo una fuerte tormenta y la visibilidad se pierde totalmente. En la figura 5 se ilustra el efecto antiadherente del barro en un parabrisas de automóvil tratado con dióxido de silicio.

Debido a la gran difusión comercial de recubrimientos nanotecnológicos basados en dióxido de silicio, resulta de gran importancia señalar la forma correcta de realizar su aplicación: 1. Limpieza de la superficie que se desea tratar En primer lugar, se debe cuidar que la superficie a tratar se encuentre completamente limpia y libre de cualquier otro componente ajeno a la naturaleza del material. Los jabones, desengrasantes, ceras o capas de otros productos deben ser removidos en su totalidad, para garantizar que en el momento de aplicar el nanorecubrimiento, no estén presentes otras partículas que afecten la formación de enlaces estables entre las moléculas de la superficie tratada y el dióxido de silicio (figura 6). Es importante mencionar que al hablar de estos nano-recubrimientos, una de las propiedades que más se resalta es la duración de la protección de la superficie y en este sentido, la limpieza previa de la misma desempeña un rol determinante como ya se dijo, para la formación de enlaces correctos y duraderos. 2. Aplicación del recubrimiento nanotecnológico Los nano-recubrimientos a base de dióxido de silicio se presentan normalmente en estado líquido y son transparentes. En la mayoría de los casos, los solventes empleados son agua o etanol, y es en éstos que las nanopartículas se mantienen en dispersión. En este contexto, la aplicación ideal debe ser realizada por aspersión del líquido sobre la superficie, lo que produce mejores resultados (figura 8). En algunas situaciones los aspersores pueden ser sustituidos por las brochas y rodillos empleados normalmente para pintura (figura 9). 3. Secado y curado del nanorecubrimiento Al ser sintetizadas las dispersiones de nanopartículas de dióxido de silicio por medio del proceso sol-gel, parte del éxito del nano-recubrimiento, es determinado por el proceso de secado y curado que se lleve a cabo. Es de suma importancia tener en cuenta el tiempo de secado que sugieren los fabricantes para cada producto y evitar el contacto de la superficie tratada con cualquier tipo de sustancia durante este período. Por las novedosas y favorables propiedades que ofrece el dióxido de silicio, este nanomaterial ocupa un lugar preferencial para el desarrollo de nuevos productos que contribuyan a mejorar el bienestar social con sostenibilidad y bajo impacto ambiental.

Dentro del ideal de control de la forma, tamaño y composición en la síntesis de partículas, el método sol-gel ofrece importantes ventajas, entre las que se destacan: posibilidad de control cinético en las reacciones, producción a bajas temperaturas y modulación controlada del pH. Por hidrólisis de tetra-ethyl-orto-silicate (TEOS) en una solución de etanol, agua y amoníaco, los trabajos de G. Kolbe abrieron el camino hacia la producción de partículas esféricas de dióxido de silicio [1]. Años más tarde, W. Stöber en base al trabajo de Kolbe, desarrolló el que ahora es conocido como el proceso de Stöber, el cual permite obtener de manera muy sencilla monodispersiones de partículas de dióxido de silicio [2]. En un proceso de síntesis típico: con agitación durante 30 minutos de la mezcla conformada por 10 ml de etanol, 3 ml de agua deionizada, 1 ml de TEOS y 2.5 g de surfactante no-iónico y la posterior agregación de hidróxido de amonio para control del pH, se obtiene un polvo blanco que debe ser secado y calcinado a 650 oC [3]. TEOS es utilizado como precursor, etanol como solvente y amonio como catalítico de acuerdo al proceso de Stöber.

De manera muy simple se hace posible obtener en superficies de papel absorbentes de agua, comportamientos superhidrófobos. Ésto se logra a través de la deposición sobre la superficie del papel de nanopartículas de dióxido de silicio suspendidas en algún solvente. En [4] se reporta un tratamiento con alcohol como solvente que permite modular el grado de hidrofobicidad en el papel. De otra parte, se han obtenido interesantes resultados de papel hidrófobo con solvente acuoso (figura 1).

SUPERHIDROFOBICIDAD Y EFECTO LOTO

Una medida que caracteriza el grado de hidrofobicidad de una superficie es el denominado ángulo de contacto que forma una gota sobre dicha superficie (figura 1). Depende de la relación que existe entre las fuerzas de adherencia entre el líquido y el sólido y las fuerzas de cohesión del líquido. Se dice que el líquido no moja para ángulos de contacto pequeños (< 90o ) mientras que moja para ángulos grandes (> 90o ). Para el caso del agua, si la mojabilidad sobre la superficie es alta se la clasifica como hidrofílica, en caso contrario se la clasifica como hidrofóbica. Ángulos de contacto menores a 30o corresponden a superficies superhidrofóbicas. Una de las propiedades requeridas de recubrimientos para hacer auto-limpiables a las superficies es la hidrofobicidad. Esta propiedad se inspira en el comportamiento que presentan las hojas de loto cuyas superficies son superhidrófóbicas, lo que permite que el agua se deslice libremente arrastrando consigo las particulas de suciedad. Este comportamiento, conocido como Efecto Loto se produce gracias a la existencia en la superficie de una serie de “montículos” micro y nanoestructurados que evita la adherencia del agua. Con el uso de recubrimientos con nanopartículas equiespaciadas se hace posible crear en superficies lisas hidrofílicas configuraciones “nanorugosas” con Efecto Loto