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NUEVOS MATERIALES

Fragilidad superada

Mediante la cristalización controlada, un equipo de São Carlos elabora vitrocerámicas para telescopios, computadoras y huesos del oído

Los vitrales densos de las catedrales revelaron que el vidrio no puede fluir a temperatura ambiente

GLOW IMAGESLos vitrales densos de las catedrales revelaron que el vidrio no puede fluir a temperatura ambienteGLOW IMAGES

Un grupo de investigadores de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) estudia y desarrolla desde hace 35 años nuevos materiales vítreos, entre ellos las vitrocerámicas, que pueden usarse en la fabricación de productos tan distintos como espejos para telescopios gigantes, sustratos para discos rígidos de laptops, huesos y dientes artificiales, pisos de lujo que imitan piedras raras, ollas transparentes resistentes a choques térmicos y placas de modernas cocinas eléctricas. Este trabajo es encabezado por el ingeniero de materiales Edgar Dutra Zanotto, coordinador del Laboratorio de Materiales Vítreos (LaMaV) del Departamento de Ingeniería de Materiales (DEMa).

Uno de los productos creados por el equipo, una bio-vitrocerámica destinada a la fabricación de pequeños huesos humanos, tales como el martillo, el estribo y el yunque, que conforman el oído, está siendo sometido a ensayos clínicos en seres humanos. Este trabajo se realizó junto a la Universidad de Florida. A finales de los años 1990, se le licenció una patente a la empresa American Biomaterials, de Estados Unidos. “En el proceso de patentado, debido a nuestra ingenuidad, nos identificaron solamente como inventores del producto y no como sus titulares, aquéllos que ostentan los derechos sobre la patente”, se lamenta Zanotto. “Cumplimos un rol fundamental en la innovación, pero nunca recibimos un centavo de regalías. Aprendimos así una importante lección y hemos tomado los debidos recaudos para evitar que ese error se repita”, añade.

Otro material biocompatible creado en el LaMaV fue el biosilicato, una vitrocerámica bioactiva hecha con silicio, sodio, potasio, calcio y fósforo. Concebida en forma de polvo, se destina a tratamientos dentales. Cuando se une al esmalte dental, cura la hipersensibilidad de la dentina. Este producto se le vende actualmente en pequeñas cantidades para la realización de pruebas experimentales a grupos de investigación, y aguarda el aval de la Agencia Nacional de Vigilancia Sanitaria (Anvisa) para su comercialización en gran escala. La patente depositada en 2003 fue recientemente aprobada por el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI). Los estudios para el desarrollo del biosilicato contaron con financiación de los programas de Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe) y de Apoyo a la Propiedad Intelectual, ambos de la FAPESP.

Los investigadores de la UFSCar también han elaborado vitrocerámicas tipo scaffolds –un material bioactivo con apariencia de esponja, que puede emplearse como soporte para el crecimiento de células óseas– y un nuevo material destinado a la producción de placas para cocinas eléctricas que reemplazan a las tradicionales hornallas de gas. La UFSCar depositó dos patentes relacionadas con estos desarrollos, una en 2010 y la otra en 2011. Según Zanotto, dos empresas han manifestado interés en la fabricación de las placas para cocinas.

Las alianzas con la industria
El laboratorio mantiene una estrecha cooperación con una red de colaboradores del exterior y con el sector privado, con vistas a la realización de estudios en investigación básica y aplicada y la creación de nuevos materiales vítreos. Durante las últimas tres décadas y media, algunas decenas de proyectos se concretaron junto a más de 40 empresas, entre ellas la fábrica italiana de neumáticos Pirelli, la multinacional estadounidense de aluminio Alcoa, la fábrica brasileña de vidrios Nadir Figueiredo, la multinacional francesa Saint-Gobain, también del área de vidrios, la Compañía Bahiana de Investigaciones Minerales (CBPM), la empresa estadounidense OptiGrate, que actúa en el sector de fotónica, y la siderúrgica brasileña Usiminas. Con esta última, el equipo desarrolló una vitrocerámica que se emplea como piso, como revestimiento de paredes y en la decoración de ambientes, producida a partir de escorias que, como subproducto de la industria metalúrgica, quedan en las acerías, que contienen un alto tenor de sílice y óxidos metálicos.

El trabajo, iniciado en el año 2000, se realizó en asociación con el Centro de Investigación y Desarrollo de Usiminas, ubicado en Ipatinga, Minas Gerais. En aquella época, la siderúrgica generaba alrededor de 125 mil toneladas de escorias de alto horno y acería por mes, residuos que causaban una enorme preocupación ambiental. “La producción de vitrocerámicas de escorias siderúrgicas tiene el potencial de librar al ambiente de una parte de esos subproductos, como así también de permitir el reemplazo de rocas naturales y otras materias primas”, afirma Zanotto. Gracias a la reciente concesión de la patente por parte del INPI y a los buenos resultados del proyecto, Usiminas planea construir una planta piloto destinada a la fabricación de la vitrocerámica. A tal fin, se están realizando estudios técnicos y de factibilidad económica.

El misterio de la virgen resuelto: una forma humana en un ventanal de la localidad de  Ferraz de Vasconcelos (São Paulo)

HELVIO ROMEROAE El misterio de la virgen resuelto: una forma humana en un ventanal de la localidad de Ferraz de Vasconcelos (São Paulo)HELVIO ROMEROAE

Un descubrimiento accidental
Las vitrocerámicas son sofisticados materiales policristalinos cuyo origen es el vidrio y que siempre contienen una fase vítrea, con un tenor que oscila entre un 99% y un 1%. Descubiertos accidentalmente en la empresa estadounidense Corning Glass y sintetizados por primera vez en 1953, los materiales vitrocerámicos son producidos con base en la cristalización controlada de materiales vítreos, un fenómeno que se produce cuando el vidrio, que contiene un agente aglutinante disuelto, que puede ser el óxido de titanio, el óxido de circón, el óxido de fósforo o la plata, es sometido a altas temperaturas, de entre 500 y 1.000 grados Celsius. Como resultado de dicho proceso, éste se cristaliza parcialmente y se transforma en un nuevo material, dotado de características diferenciadas.

“Las vitrocerámicas son materiales lisos y mucho más resistentes que el vidrio. Asimismo, pueden estar dotadas de una baja o alta conductividad eléctrica, un coeficiente de dilatación cercano a cero ‒incluso igual al de los metales‒, gran durabilidad química y nula porosidad, explica Zanotto. Según el investigador, gracias a estas propiedades, las vitrocerámicas funcionan como aislantes eléctricos, por ejemplo, una característica necesaria para los sustratos de discos rígidos de computadoras, y pueden emplearse en situaciones en que la dilatación del material es indeseable debido a que ocasiona perjuicios para el buen funcionamiento de los artefactos, tal como sucede en los casos de los telescopios o las placas de cocinas. El primer artículo científico sobre vitrocerámicas salió publicado en 1957. Hasta la fecha, la base Scopus contabiliza  alrededor de 10.900 artículos científicos y tecnológicos, en tanto que la Free Patents on Line contabiliza más de 5 mil patentes sobre el tema.

Los vitrales de notre-dame
Aparte del desarrollo de nuevas vitrocerámicas, el LaMaV es responsable de contribuciones relevantes en los campos de la investigación básica, especialmente en los estudios relacionados con la nucleación y el crecimiento de cristales en vidrios y con las propiedades fisicoquímicas de vidrios. “Nuestras investigaciones hicieron un significativo aporte a la comprensión de los procesos que controlan la nucleación y el crecimiento de cristales en innumerables tipos de vidrios. En el campo científico, describimos procesos cinéticos y testeamos, perfeccionamos y desarrollamos diversos modelos teóricos”, afirma Zanotto. Un ejemplo de los aportes en el área fueron dos artículos publicados por Zanotto, en 1998 y 1999, en el American Journal of Physics, el primero comentado en Science, desmontando el mito de que las iglesias medievales como Notre-Dame, en París, por contar con vitrales más densos en sus bases que en las cúspides, constituyen la prueba fehaciente de que el vidrio puede fluir a temperatura ambiente. Que el vidrio es un líquido viscoso, eso el investigador no lo discute, pero demostró que para deslizarse a punto tal de alcanzar el espesor observado en los templos, el material tardaría millones y millones de años. A partir del análisis de la composición de 350 vitrales medievales, arribó a la conclusión de que las diferencias de espesor en cuestión son producto a decir verdad, y únicamente, de defectos de fabricación del vidrio.

El trabajo de Zanotto y su grupo –integrado también por los profesores Ana Cândida Rodrigues y Oscar Peitl– empezó en 1977, con la tesina de maestría del investigador en el IFSC-USP y prosiguió con sus estudios doctorales, realizados en la Universidad de Sheffield, en el Reino Unido. Treinta y cinco años después, el laboratorio, dotado de una área de 800 metros cuadrados y equipado con moderno instrumental, contabiliza la publicación de 200 artículos científicos en revistas especializadas, el depósito de 12 patentes y la titulación de 60 másteres y doctores, y otros 15 en marcha. A lo largo de los años, sus investigaciones contaron con el apoyo de distintas agencias de fomento, tales como la FAPESP, el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Nivel Superior (Capes). Zanotto coordinó dos proyectos temáticos: “Problemas comunes en la cristalización de vidrios”, ya concluido, y “Procesos cinéticos en vidrios y vitrocerámicas”, aún en marcha.

Cuatro caras de los nuevos materiales: 1. la vitrocerámica de escoria de acería hace que un residuo tenga un uso noble; 2. la imitación de mármoles raros genera pisos y revestimientos de lujo; 3. la cerámica bioactiva revoluciona sistemas de implantes quirúrgicos; 4. dientes artificiales aportan nuevo aliento a la estética bucal

VLAD FOKIN/LAMAV/UFSCAR | thayer dental laboratory, inc Cuatro caras de los nuevos materiales: 1. la vitrocerámica de escoria de acería hace que un residuo tenga un uso noble; 2. la imitación de mármoles raros genera pisos y revestimientos de lujo; 3. la cerámica bioactiva revoluciona sistemas de implantes quirúrgicos; 4. dientes artificiales aportan nuevo aliento a la estética bucalVLAD FOKIN/LAMAV/UFSCAR | thayer dental laboratory, inc

Cristales en vidrio
El LaMaV actúa en el marco de una red compuesta por 30 instituciones, siendo 20 de ellas internacionales, y se encuentra en el mismo nivel de los laboratorios mantenidos por las Universidades de Nagaoka, Japón, de Missouri, Estados Unidos, de Jena, en Alemania, y de los institutos privados de investigación de Nippon Electric Glass, también de Japón, Corning Glass, de Estados Unidos, y Schott Glass, en Alemania. La red de colaboradores del exterior reúne a científicos de Francia, España, Portugal, Alemania, Bulgaria, República Checa, Reino Unido, Estados Unidos, Rusia, Colombia y Argentina, entre otros países. A comienzos de año, para celebrar los 35 años de actividad del laboratorio, Zanotto publicó el libro Cristais em vidro – Ciência e arte, en el cual presenta una colección de fotomicrografías científicas y artísticas de materiales vítreos generadas en el transcurso de ese período. En total, dicha colección reúne más de 40 mil imágenes.

Los proyectos
1. Problemas comunes sobre la cristalización de vidrios (nº 1999/00871-2) (1999-2004); Modalidad Proyecto temático; Coordinador Edgar Dutra Zanotto, UFSCar; Inversión R$ R$ 935.421,42
2. Procesos cinéticos en vidrios y vitrocerámicas (nº 2007/08179-9(2008-2012); Modalidad Proyecto temático; Coordinador Edgar Dutra Zanotto, UFSCar; Inversión R$ 1.772.804,02

Artículos científicos
PEITL, O. et al. Compositional and microstructural design of highly bioactive P2O5-Na2O-CaO-SiO2 glass-ceramics. Acta Biomaterialia. v. 8, n. 1, p. 321-32, 2012.
Nascimento, M. L. F. et al. Dynamic processes in a silicate liquid from above melting to below the glass transition. Journal of Chemical Physics. v. 135, p. 1-18, 2011.
Zanotto, E. D. A bright future for glass-ceramics. American Ceramic Society Bulletin. v. 89, n. 8, p. 19-27, 2010.

De nuestro archivo
La belleza de los vitrocerámicos – Edición nº 191 – enero de 2012
Un babel de vidrio – Edición nº 178 – diciembre de 2010
Un misterio develado – Edición nº 79 – septiembre de 2002
Mucho más que vidrio – Edición nº 76 – junio de 2002
Falta integración con la industria vidriera – Edición nº 76 – junio de 2002
Desarrollan programas a la medida – Edición nº 73 – marzo de 2002
El desfase entre la ciencia y la tecnología nacional – Edición nº 43 – junio de 1999

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