Un español estudia cómo aplicar la estructura de las perlas a la cerámica espacial

Un investigador español dirige el equipo del Imperial College que trabaja con la ESA para llevar la estructura de las perlas a las cerámicas utilizadas por la industria espacial. El estudio se basa en un principio, el uso de un sistema muy frágil y humilde, como por ejemplo el carbonato de calcio (tiza), y fijarse en cómo los moluscos consiguen convertirlo en algo tan resistente como el nácar. El secreto está en la forma que le dan para utilzarlo, un diseño tipo pared de ladrillo y mortero que refuerza su estructura.

El Imperial College está trabajando con la ESA tras haber ganado un concurso sobre materiales bioinspirados a través del programa Technology Development Element (TDE) de la Agencia. Al frente está Eduardo Saiz, director del Centre for Advanced Structural Ceramics del Imperial College de Londres, que explicó, respecto a los materiales bioinspirados, que “puedes pensar en la naturaleza como un vasto laboratorio que trabaja a través de largas escalas de tiempo para desarrollar compuestos de interés para varias formas de vida”.

El investigador español recalcó que "ahora, los materiales reales con los que la naturaleza tiene disponibles para trabajar son bastante limitados, básicamente carbonatos y silicatos, pero el proceso de evolución los refina para que sean lo más robustos posible. Nuestra idea es inspirarnos en los resultados de este proceso natural y aplicar el mismo enfoque a los materiales que ya son bastante difíciles, para hacerlos aún más duros”.

El material escogido en esta ocasión ha sido el nácar del que están hechas las perlas y las capas internas de conchas marinas. El nácar es sintetizado por ostras y mejillones para rodear trozos de arena y otros irritantes no deseados, o por moluscos en forma de caparazón protector. "Estas perlas y conchas están compuestas principalmente de carbonato de calcio, que es el mismo material que compone la tiza”, explica Saiz. “Sin embargo, estos artículos terminan mucho más fuertes que lo que normalmente es un material fácil de aplastar. La razón por la que se encuentra en su microestructura: el nácar se basa en un diseño de ladrillo y mortero, con plaquetas de carbonato de calcio unidas en un mortero elástico de biopolímero como la quitina y varias proteínas”, añade. Por separado, esas plaquetas son quebradizas, pero juntas multiplican su resistencia y hasta inhiben la propagación de grietas.

Y en la ESA lo han visto perfecto para sus programas espaciales. La ingeniera de materiales de la ESA, Malgorzata Holynska, explicó que “esto es interesante para el espacio en términos de cerámica en particular”. Y se explicó: "Empleamos cerámica para producir piezas de naves espaciales como escudos térmicos, bancos ópticos y piezas estructurales, pero son más frágiles de lo que nos gustaría, por lo que estamos estudiando cómo podemos mejorarlas”.

El escogido es el  carburo de silicio

La mejora llega por los propios materiales. El estudio se ha centrado en el carburo de silicio (SiC). Un compuesto que se sintetizó por primera vez en un intento de hacer diamantes artificiales y terminó utilizándose para hacer herramientas de corte. El SiC ya se usa en el sector espacial por su alta rigidez, pero su naturaleza es frágil y si sufren un golpe se acabó.

"La idea es mejorar el rendimiento de SiC organizando nuestro material en una estructura de ladrillo y mortero de estilo nácar, con potencialmente el mortero que incluya un vidrio resistente a la temperatura. El resultado sería un compuesto más endurecido. Dependiendo de cómo se coloque el compuesto, también podríamos añadir características anisotrópicas, para hacerlo más fuerte a lo largo de direcciones particulares en el material”, explicó Saiz.

El desafío es imitar a la naturaleza que, según recuerda Saiz, “trabaja de abajo hacia arriba, mientras que nosotros trabajamos de arriba hacia abajo. Tenemos que ver si podemos aprovechar los métodos de producción existentes para replicar las características estructurales clave que necesitamos, a la escala necesaria.

El equipo también estudia las posibles opciones de producción, desde la fabricación aditiva hasta la denominada "fundición por congelación”, que implica la congelación direccional de las suspensiones cerámicas en agua, empleadas a su vez para construir andamios inorgánicos en capas

El proyecto comenzó el año pasado, con muestras sintetizadas en el laboratorio del Imperial College y probadas en Azimut Space en Alemania, con el Centro de Pruebas de Materiales de Coventry en el Reino Unido buscando la ampliación de los procesos de producción.