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Nuevos materiales

Mucho más que vidrio

Investigadores de la Universidad Federal de São Carlos producen materiales vítreos que pueden ser usarse en telescopios, cocinas y huesos artificiales

MIGUEL BOYAYANVitrocerámica de escoria de acería: residuos transformados en piezas de decoración, pisos y revestimientosMIGUEL BOYAYAN

Cuando el tema es la investigación para el desarrollo de vidrios especiales y materiales afines, Brasil tiene grandes motivos para celebrar. En los últimos años, un equipo de investigadores del Laboratorio de Materiales Vítreos (LaMaV) del Departamento de Ingeniería de Materiales (DEMa) de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) realizó importantes contribuciones en la investigación de vitrocerámicas, un sofisticado material que tiene su origen en el vidrio y que puede ser empleado en la fabricación de huesos y dientes artificiales, sustratos de discos duros de laptops, espejos de telescopios gigantes, pisos de lujo, ollas transparentes resistentes a shocks térmicos y placas de modernas cocinas eléctricas que ocupan el lugar de los tradicionales quemadores de gas.

Los materiales vitrocerámicos surgieron hace poco más de 40 años. Son producidos a partir de la cristalización controlada de materiales vítreos. La cristalización controlada es un fenómeno que se produce cuando el vidrio, que contiene un agente nucleante disuelto (óxido de titanio, óxido de fósforo, óxido de circón, plata, oro, etc.), es sometido a temperaturas que oscilan entre los 500 y los 1.100 grados centígrados. Como resultado de este proceso, el vidrio se transforma en un nuevo material, dotado de características diferenciadas. “Los materiales vitrocerámicos son lisos y mucho más resistentes que el vidrio.

Además, pueden tener mostrar conductividad eléctrica y una dilatación térmica cercana a cero”, explica el ingeniero de materiales Edgar Dutra Zanotto, coordinador del LaMaV y encargado del desarrollo de los nuevos productos. Las ventajas de esas cualidades son: que esos materiales funcionan como aislante eléctricos, característica necesaria para los sustratos de discos rígidos, por ejemplo, y pueden ser usados en situaciones en las cuales la dilatación del vidrio provoca perjuicios en el funcionamiento del equipamiento, como en el caso de los telescopios o placas de cocinas.

La más reciente de las invenciones del laboratorio de la UFSCar -de la cual ya se está tramitando la patente- es una vitrocerámica muy parecida al mármol y al granito y más resistente que dichos materiales. La misma podrá utilizarse en la fabricación de varios de los productos que componen una casa: pisos, azulejos y lavabos. Por ahora, el LaMaV domina la tecnología para la fabricación de piezas pequeñas, de alrededor de 15 por 15 centímetros, pero está desarrollando otras mayores. En el mundo entero, solamente la empresa japonesa Nippon Electric Glas fabrica y comercializa un producto similar, al precio estimado de 500 dólares el metro cuadrado, pero con una composición química totalmente distinta de las estudiadas en el LaMaV. “Aún no sabemos cuánto costará nuestro producto. El precio será definido en la etapa de producción, pero ciertamente será mucho más barato”, explica el coordinador del LaMaV.

En otra línea de estudio de los investigadores de la UFSCar, el objetivo es desarrollar piezas vitrocerámicas que puedan reemplazar huesos humanos. El primer ejemplar de una biovitrocerámica fue creado a mediados de los años 90 en el marco de una asociación con la Universidad de Florida, Estados Unidos. Se trata de un material empleado en la fabricación de dientes artificiales y pequeños huesos del oído, como el martillo, el estribo y el yunque. En polvo, este material puede usarse para recomponer cavidades dentales. Al final de la década pasada, la patente fue licenciada para la empresa American Biomaterials, de Estados Unidos.

“En el proceso de patentado, por ingenuidad, fuimos identificados solamente como los inventores del producto y no como sus titulares -aquéllos que tienen los derechos sobre la patente-. La titularidad quedó en manos de la Universidad de Florida”, afirma Zanotto. “Nunca recibimos ni un centavo de royalties“, se lamenta el investigador. Hace dos años, los científicos del LaMaV concluyeron el desarrollo de otra vitrocerámica, esta vez a partir de escorias de acerías, un subproducto de la industria metalúrgica con alto tenor de sílice y óxidos metálicos. El trabajo fue realizado en asociación con el Centro de Investigación y Desarrollo de Usiminas, localizado en la ciudad de Ipatinga (Minas Gerais).

En Usiminas se generan alrededor de 125 mil toneladas de escoria de alto horno y de acería mensuales, lo que representa un grave problema ambiental. “La producción de vitrocerámicas de escoria siderúrgica librará al ambiente de parte de esos residuos industriales y permitirá la sustitución, muchas veces con ventajas, de rocas naturales y otras materias primas”, afirma Zanotto. Gracias a su aspecto visual agradable, esta nueva vitrocerámica podrá usarse como piso, como revestimiento de paredes y en la decoración de ambientes. Los investigadores del LaMaV esperan iniciar en breve estudios sobre la fabricación del producto a escala piloto.

Expandiendo fronteras
La creación de estos nuevos materiales revela la importancia de las investigaciones conducidas por Zanotto y su equipo. “Nuestro laboratorio tiene 25 años de actividades y una filosofía de trabajo bien definida”, dice el investigador. “Creemos que es posible realizar investigación básica de buen nivel y aplicar métodos similares al desarrollo de tecnología. Queremos avanzar en las fronteras del conocimiento e innovar en el sector de vidrios y materiales afines”. Para alcanzar sus objetivos, el LaMaV mantiene una estrecha cooperación con las industrias. Nada menos que 18 proyectos de investigación y desarrollo fueron concretados en los últimos 20 años en conjunto con diversas empresas, entre ellas Pirelli, Usiminas, Companhia Baiana de Investigaciones Minerais (CBPM) y Alcoa.

Toda esta producción tecnológica, según Zanotto, está sedimentada en el campo de la ciencia fundamental en investigaciones basadas en la comprensión del fenómeno de cristalización. “Los vidrios son materiales que poseen una energía relativamente alta a nivel atómico, debido a su estructura molecular desordenada, y tienden a cristalizarse espontáneamente, sin control, durante su fabricación o su uso, perdiendo así su transparencia, rajándose o quebrándose”, afirma Zanotto. “Los materiales cristalinos, por el contrario, como las vitrocerémicas, cuya estructura molecular es organizada, tienen la menor energía posible y, por lo tanto, son termodinámicamente estables”. Este fenómeno, cuando es espontáneo, puede ocasionar serios problemas. No obstante, si la cristalización se efectúa de manera controlada, es posible desarrollar nuevos materiales policristalinos como las vitrocerámicas.

Gafas al horno
Como es común en la historia de la ciencia, los materiales vitrocerámicos fueron descubiertos por casualidad. Al final de los años 50, el investigador estadounidense Donald Stookey, de la empresa Corning Glas, llevaba adelante investigaciones con vidrios fotocromáticos, esos que se oscurecen con la luz -pues tienen minúsculos cristales de plata dispersos-, cuando se dio cuenta de que había dejado, por un olvido, un par de lentes de anteojos durante toda la noche en un horno caliente. Esos lentes quedaron opacos, completamente cristalizados, pues se habían transformado en otro material, mucho más resistente, que Stookey acabó llamando vitrocerámica (glas-ceramics).

En ese caso fortuito, la plata actuó como un agente nucleante. Desde entonces, decenas de empresas y laboratorios de todo el mundo estudian nuevas composiciones y formas de producción de esos materiales, que se mostraron útiles en diversas aplicaciones. Los espejos de los telescopios Gemini (Chile y Hawai, EE.UU.) están hechos con vitrocerámica, así como lo está la superficie de las modernas cocinas eléctricas, que no tienen llama ni fuego, sino tan solo círculos en los que se colocan las ollas o el propio alimento. Cocinas de este tipo son fabricados por las empresas Bosch, Siemens y Jung, de Blumenau (Santa Catarina), que importa el material vitrocerámico.

El gran salto
Además de la creación de los materiales innovadores, los científicos de la UFSCar también investigan un nuevo proceso de fabricación de vitrocerámicas, conocido como sinterización con cristalización controlada. Sinterizar significa unir varias partículas mediante calentamiento. En este caso, la formación de la vitrocerámica no necesita agentes nucleantes, como sucede en el proceso tradicional de obtención de ese material. La sinterización con cristalización controlada, por lo tanto, no requiere la adición de una nueva sustancia que actúe como catalizador. Las partículas de impurezas y los defectos, presentes en la propia superficie del vidrio, cumplen el papel de agente nucleante.

Zanotto lo explica: “Observamos que en la cristalización descontrolada el proceso de transformación del vidrio comienza en la superficie y concluimos que allí existen partículas y fallas cuyo efecto es similar al de los agentes nucleantes”, cuenta Zanotto. Con base en esa conclusión, los investigadores del LaMaV molieron el vidrio para que el polvo resultante contuviera esas partículas superficiales. “Ese fue el gran salto de nuestras investigaciones”.Puede parecer simple, pero en la práctica es muy difícil. Los investigadores demoraron siete años para develar los secretos de la sinterización con este tipo de cristalización, denominada concurrente.

La sinterización debe producirse al comienzo del proceso y solamente al final debe comenzar la cristalización. “Tenemos un proyecto temático, con complejas simulaciones computacionales, intentando entender y controlar la competición entre sinterización y cristalización”, afirma Zanotto. Según éste, la sinterización con cristalización concurrente es un proceso alternativo para la fabricación de vitrocerámicas y, en ciertos casos, éste puede ser más rápido y más barato.

Con los resultados de los estudios producidos por el equipo del LaMaV, el laboratorio se transformó en uno de los más conceptuados centros mundiales de investigación en sinterización para la producción de materiales vitrocerámicos. Solamente algunos otros grupos lograron arribar a los resultados alcanzados por los investigadores de la UFSCar: por ejemplo, un equipo del laboratorio BAM, de Berlín, Alemania, un grupo ligado a la Academia de Ciencias de Bulgaria y la empresa japonesa Nippon Electric Glas. “Todos esos investigadores han hecho, de manera simultánea a nuestro trabajo, importantes descubrimientos sobre el fenómeno de la sinterización y cristalización controlada”, afirma el investigador.

Una actuación destacada
Para tener una idea acerca de la relevancia de las investigaciones llevadas a cabo por Zanotto y su equipo, basta saber que en los últimos 20 años, el grupo fue laureado con más de una decena de premios nacionales e internacionales, y dictó, por invitación, cerca de 55 conferencias en los más importantes congresos del área. “Una muestra de la importancia y la repercusión de las investigaciones desarrolladas por nuestro equipo es el hecho de que, en los últimos dos años, en 12 ocasiones, fuimos invitados a dictar conferencias plenarias en eventos importantes”, afirma Zanotto.

Al margen del LaMaV, otros grupos nacionales de investigación también has sobresalido en el desarrollo de nuevos materiales y nuevas tecnologías asociadas al vidrio. La fuerza de la investigación brasileña puede evaluarse por la publicación de artículos en periódicos científicos internacionales. En los últimos seis años, aproximadamente un 5% de todos los artículos divulgados en Journal of Non-Crystalline Solids, y un 2% de los publicados en el Physics and Chemistry of Glases, las más importantes revistas científicas del sector, fueron firmados por investigadores brasileños.

Nuevas instalaciones
La actuación del LaMaV, cuyo equipo está formado por tres profesores, dos posdoctorandos, seis alumnos de doctorado, dos de maestría, cuatro de iniciación científica y un técnico, se verá aún más fortalecido con la inauguración, el mes que viene, de las nuevas instalaciones del laboratorio, de 530 metros cuadrados. La construcción, que costó cerca de 300 mil reales, recibió financiamiento de la propia UFSCar y a través de convenios con empresas. Los recursos para la infraestructura salieron del Programa de Apoyo a Núcleos de Excelencia (Pronex), dependiente del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y del proyecto temático Problemas Comunes en la Cristalización de Vidrios, financiado por la FAPESP.

El edificio tiene la forma de un horno para la fabricación de vidrios y está munido con equipos de última generación. “Los recursos de la FAPESP hicieron posible la instalación de la infraestructura del nuevo laboratorio, que es de nivel internacional, y también la publicación de varios artículos y la presentación de una decena de conferencias por invitaciones llegadas del exterior”, dice Zanotto.

Los investigadores del LaMaV están, de esta manera, haciendo ciencia y desarrollando tecnología para nuevos materiales que deben integrar productos de diversas funciones. Desde huesos artificiales, pasando por el disco duro delaptops hasta el lavabo de un cuarto de baño.

Falta integración con la industria vidriera

La producción industrial de vidrios en Brasil también adquiere relevancia en el escenario mundial junto a las investigaciones relacionadas con nuevos materiales vítreos. En 2001, la capacidad instalada de la industria vidriera nacional se calculaba en 2,6 millones de toneladas, y los fabricantes de vidrios planos respondían por el 31,7% del total. Atrás se ubicaban los productores de envases de vidrio, con un 31,1%. Juntas, las 74 empresas del sector facturan alrededor de 2.650 millones de reales por año y generan casi 12 mil puestos de trabajo.

Pese al excelente desempeño del sector y al alto nivel de los trabajos científicos, no observa una gran integración entre los fabricantes de vidrio y los centros de investigación. Pocos profesionales con doctorado o maestría en el área son contratados por el sector productivo. “La mayoría de las industrias del vidrio opera con capital extranjero y mantiene sus centros de investigación en sus países de origen”, escribió Zanotto en el artículo Glas industry and research in Brazil (Industria e investigación en vidrio en Brasil), divulgado en marzo pasado en la revista Glas International.

“Esa es, probablemente, la razón de la pobre interacción entre las empresas internacionales y los grupos de investigaciones de las universidades brasileñas”, afirma. Según Zanotto, la relación entre los investigadores y la industria vidriera nacional tampoco es provechosa. “Es poco insatisfactoria, porque falta diálogo y cooperación.”

EL PROYECTO
Problemas Comunes en la Cristalización de Vidrios
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
Edgar Dutra Zanotto – Departamento de Ingeniería de Materiales – UFScar
Inversión
R$ 794.824,88

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