El avance en el estudio de materiales cer\u00e1micos est\u00e1 generando una serie de nuevos productos de uso industrial. Dos de las m\u00e1s importantes novedades en ese sector salieron recientemente del Laboratorio Interdisciplinario de Electroqu\u00edmica y Cer\u00e1mica (Liec), de la Universidad Federal de S\u00e3o Carlos (UFSCar), en donde los investigadores, coordinados por el profesor Elson Longo, lograron develar con ventajas innovadoras, incluso con el registro de una patente, la tecnolog\u00eda empleada por empresas internacionales en la fabricaci\u00f3n de dispositivos que protegen a las redes el\u00e9ctricas contra las sobrecargas causadas por rayos.<\/p>\n
El equipo tambi\u00e9n efectu\u00f3 modificaciones en los refractarios cer\u00e1micos utilizados por las sider\u00fargicas en la producci\u00f3n de acero, que resultaron en una significativa econom\u00eda para la Companhia Sider\u00fargica Nacional (CSN) de Volta Redonda (R\u00edo de Janeiro). La empresa est\u00e1 economizando 6 millones de d\u00f3lares anuales con los cambios efectuados en el vag\u00f3n -llamado carro torpedo- utilizado para transportar el arrabio, el hierro l\u00edquido que ser\u00e1 transformado en acero.<\/p>\n
Esas dos novedades forman parte de las diversas l\u00edneas de investigaci\u00f3n del Liec, laboratorio que forma parte del Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cer\u00e1micos (CMDMC), del cual tambi\u00e9n participan el Instituto de Investigaciones Energ\u00e9ticas y Nucleares (Ipen, sigla en portugu\u00e9s), el Instituto de F\u00edsica de S\u00e3o Carlos de la Universidad de S\u00e3o Paulo (USP), y el Instituto de Qu\u00edmica de Araraquara, de la Universidad Estadual Paulista (Unesp). El CMDMC es uno de los diez Centros de Investigaci\u00f3n, Innovaci\u00f3n y Difusi\u00f3n (Cepids), seleccionados en el a\u00f1o 2000 por la FAPESP. Para dicho programa, la Fundaci\u00f3n reserva 15 millones de reales por a\u00f1o.<\/p>\n
Uno de los objetivos de los Cepids es el est\u00edmulo a la investigaci\u00f3n innovadora, desarrollando productos tales como el dispositivo cer\u00e1mico elaborado en el Liec, que es capaz de proteger la red de transmisi\u00f3n de energ\u00eda. \u00c9ste artefacto, llamado varistor, tiene una doble funci\u00f3n: es aislante y es a su vez conductor de electricidad. Al recibir la descarga el\u00e9ctrica de un rayo, el dispositivo instalado en un pararrayos ubicado entre los cables conductores (que distribuyen energ\u00eda) y la tierra es accionado. La variaci\u00f3n de voltaje detectada hace que la cer\u00e1mica se vuelva conductora. La corriente indeseable es entonces descargada hacia tierra por la cer\u00e1mica varistora, evitando da\u00f1os en la l\u00ednea de transmisi\u00f3n. Cuando cesa el efecto del rayo, que dura mil\u00e9simos de segundos, el material cer\u00e1mico vuelve a actuar como aislante.<\/p>\n
Existen varios tipos de varistores en el mercado mundial, y cuatro empresas que dominan esa tecnolog\u00eda: Matsushita, de Jap\u00f3n; Asea Brown Boveri y Siemens, de Europa; y General Electric, de Estados Unidos. “El varistor es un sistema complejo; tiene por lo menos ocho componentes formados por \u00f3xidos diferentes y una secuencia de tratamiento t\u00e9rmico que son considerados secretos industriales”, cuenta el profesor Edson Leite, uno de los investigadores del Liec.<\/p>\n
Una invenci\u00f3n japonesa Seg\u00fan el profesor Longo, tambi\u00e9n coordinador del Cepid de Materiales Cer\u00e1micos, el de di\u00f3xido de esta\u00f1o es m\u00e1s resistente contra ambientes qu\u00edmicos agresivos, adem\u00e1s de tener una mayor conductividad t\u00e9rmica. En el momento en que el rayo cae donde est\u00e1 instalado el varistor, la temperatura llega a cerca de 200\u00b0 Celsius. La descarga el\u00e9ctrica parte de la nube y llega al suelo, y provoca la ionizaci\u00f3n del aire a lo largo de su trayecto, pudiendo derivar en la formaci\u00f3n de nitratos. Esos nitratos pueden atacar al \u00f3xido de zinc, formar nitrato de zinc y destruir al varistor. Longo subraya que el di\u00f3xido de esta\u00f1o no tiene ese problema. “\u00c9sa es una invenci\u00f3n \u00edntegramente nacional. Todos los art\u00edculos internacionales que fueron publicados en el mundo sobre di\u00f3xido de esta\u00f1o son nuestros”, cuenta.<\/p>\n En Brasil, el riesgo de apagones provocados por la ca\u00edda de rayos es muy grande. Seg\u00fan datos del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, sigla en portugu\u00e9s), cerca de 100 millones de rayos caen en territorio nacional anualmente. En marzo de 1999, diez estados brasile\u00f1os quedaron a oscuras durante cuatro horas como consecuencia de un rayo que cay\u00f3 en una subestaci\u00f3n ubicada en el municipio de Baur\u00fa (interior de S\u00e3o Paulo).<\/p>\n Leite resalta que las empresas generadoras y distribuidoras de energ\u00eda han procurado proteger cada vez m\u00e1s proteger sus equipamientos de las descargas el\u00e9ctricas provocadas por los rayos. Ese mercado potencial motiv\u00f3 a dos empresas de Minas Gerais, y a una de S\u00e3o Paulo, a fabricar el varistor de \u00f3xido de zinc con la tecnolog\u00eda desarrollada por el Liec. Las negociaciones ya est\u00e1n en marcha. El producto fabricado con di\u00f3xido de esta\u00f1o llam\u00f3 la atenci\u00f3n, pero todav\u00eda depende de que surjan interesados en ponerlo en la l\u00ednea de producci\u00f3n.<\/p>\n Algunas empresas fabrican pararrayos en Brasil, pero la mayor\u00eda de los bloques es importada y, seg\u00fan Longo, no existe un est\u00e1ndar de calidad. “Solamente un avanzado conocimiento en ciencia b\u00e1sica puede propiciar la generaci\u00f3n de este tipo de tecnolog\u00eda”, dice. “\u00c9sa es la gran jugada”. Longo recuerda que una tecnolog\u00eda desarrollada para mejorar piezas cer\u00e1micas (azulejos, pisos) fue esencial para llegar a los varistores. “Descubrimos que el ox\u00edgeno era fundamental para eliminar el coraz\u00f3n negro (un defecto en el centro de la pieza, originado durante el proceso de quema) de las piezas de revestimiento cer\u00e1mico. Ese proyecto fue desarrollado en asociaci\u00f3n con White Martins, y est\u00e1 siendo utilizado por Cer\u00e2mica Gerbi.”<\/p>\n Transporte r\u00e1pido La novedad que llev\u00f3 a la sider\u00fargica a economizar 6 millones de d\u00f3lares por a\u00f1o fue el desarrollo de un aislante cer\u00e1mico, colocado entre la carcaza de metal y el refractario cer\u00e1mico del carro, y el de una tapa, tambi\u00e9n de cer\u00e1mica, que proporcionaron una ganancia de 40\u00b0 Celsius, perdidos anteriormente durante el transporte entre los altos hornos y el conversor (un equipamiento utilizado para la transformaci\u00f3n del arrabio en acero mediante la adici\u00f3n de ox\u00edgeno, que reacciona con el carbono, formando di\u00f3xido de carbono). Eso significa que el arrabio puede hacerse a una temperatura menor. “De esa manera, se utiliza menos carb\u00f3n de coque, lo que representa una mejora econ\u00f3mica, aunque peque\u00f1a, pues ese combustible es barato. La verdadera ganancia reside en el hecho de que el carro torpedo puede andar m\u00e1s r\u00e1pido porque no hay p\u00e9rdida de temperatura”, comenta Longo.<\/p>\n CSN tambi\u00e9n consigui\u00f3 un acero de mejor calidad, con menos azufre, sin hacer cambios en el sistema de producci\u00f3n, como producto de un proceso desarrollado hace dos a\u00f1os por los investigadores del Liec. El silicio, el f\u00f3sforo y el azufre son tres elementos indeseables que se incorporan al hierro l\u00edquido. Los dos primeros son m\u00e1s f\u00e1ciles de eliminar. Pero el \u00faltimo interfiere en la calidad del acero, dej\u00e1ndolo m\u00e1s quebradizo, y su extracci\u00f3n requiere por eso un proceso m\u00e1s complejo.<\/p>\n El nuevo m\u00e9todo, que se encuentra en fase de pruebas industriales en la sider\u00fargica, permite la remoci\u00f3n gradual del azufre con cuatro diferentes agentes (carbonato de calcio, carburo de calcio, aluminio-magnesio y escoria de aluminio), inyectados durante el transporte del arrabio en los carros torpedos. Los procesos utilizados actualmente en todo el mundo utilizan el carbonato de calcio para retirar el indeseable azufre. “Colocamos en una primera etapa carburo de calcio con carbonato de calcio y a\u00f1adimos la escoria resultante de la fabricaci\u00f3n de aluminio, para aumentar la temperatura del ba\u00f1o de desulfuraci\u00f3n (eliminaci\u00f3n del azufre<\/em>)”, cuenta Longo. La investigaci\u00f3n que redund\u00f3 en ese proceso innovador forma parte de la tesis de doctorado de S\u00e9rgio Murilo Justus, dirigido por Longo y por el investigador Sidney Nascimento Silva, de CSN. La sider\u00fargica invirti\u00f3 150 mil reales en ese proyecto, que recibi\u00f3 tambi\u00e9n una beca de doctorado de la FAPESP.<\/p>\n “Tambi\u00e9n desarrollamos un sistema para que CSN produzca arrabio a pedido, con un est\u00e1ndar de calidad del acero definido por el comprador”, cuenta Longo. Los porcentajes de azufre y las mezclas se ejecutan por computadora. Antes de que este sistema fuera implementado, dependiendo de la compra, la central deb\u00eda parar lo que estaba produciendo para producir acero con un porcentaje menor de azufre, por ejemplo. Cuanto menor es la cantidad de dicha sustancia, mejor es el acero.<\/p>\n Longo dice que el acero brasile\u00f1o llega a Estados Unidos un 30% m\u00e1s barato que el fabricadoen ese pa\u00eds, en funci\u00f3n de las innovaciones aplicadas al sistema de producci\u00f3n. “Cuando empezamos a trabajar con CSN, hace 12 a\u00f1os, la producci\u00f3n era de 2 millones de toneladas anuales. Hoy en d\u00eda, \u00e9sta se ubica en casi 5 millones de toneladas anuales, con los mismos equipamientos. El proceso es el mismo, \u00fanicamente cambiamos los refractarios”. La optimizaci\u00f3n de los equipamientos, que funcionan 350 d\u00edas al a\u00f1o, elimin\u00f3 las detenciones en la producci\u00f3n.<\/p>\n Etapa \u00fanica Uno de estos comp\u00f3sitos, con prometedoras propiedades probadas en laboratorio, podr\u00e1 aplicarse en nanocircuitos electr\u00f3nicos para computadoras, con reducci\u00f3n del tama\u00f1o actual en 30 \u00f3 40 veces y aumento de la velocidad de procesamiento, y en catalizadores (sustancias que aceleran las reacciones qu\u00edmicas), utilizados principalmente por las industrias farmac\u00e9utica, qu\u00edmica y petroqu\u00edmica, y para la generaci\u00f3n de hidr\u00f3geno, con el objetivo de obtener energ\u00eda limpia.<\/p>\n Para lograr ese nanocomp\u00f3sito, compuesto por una matriz de s\u00edlice o di\u00f3xido de silicio amorfo y part\u00edculas met\u00e1licas de n\u00edquel, se desarroll\u00f3 una ruta de s\u00edntesis -basada en un pol\u00edmero obtenido a partir del \u00e1cido c\u00edtrico-, un proceso denominado sol-gel, que utiliza reactivos qu\u00edmicos en el procesamiento y tan solo una etapa de tratamiento t\u00e9rmico, en cuanto que las dem\u00e1s exigen como m\u00ednimo dos. “Eso es lo que estamos patentando”, cuenta Leite. Este proceso tambi\u00e9n resuelve dos problemas de las nanopart\u00edculas met\u00e1licas: la aglomeraci\u00f3n y la formaci\u00f3n superficial de \u00f3xidos en ese material. “Como las nanopart\u00edculas met\u00e1licas cargan informaci\u00f3n magn\u00e9tica, el hecho de saber c\u00f3mo se procesa y se organiza ese material constituye una ventaja enorme, ya que podemos aplicar esa tecnolog\u00eda a otros materiales”, dice Leite. Entre esas aplicaciones se encuentra un fotocatalizador (catalizador activado por la luz), destinado a limpiar aguas contaminadas.<\/p>\n Los estudios para evitar el crecimiento de part\u00edculas durante la preparaci\u00f3n del material empezaron en 1999, con el \u00f3xido de esta\u00f1o, cuando el equipo del Liec comenz\u00f3 a trabajar con semiconductores nanoestructurados. “Utilizamos un dopante en el que se pone un \u00e1tomo de tierra rara en la estructura del di\u00f3xido de esta\u00f1o. Durante el calentamiento, el \u00f3xido de esta\u00f1o expulsa a esos vecinos indeseables, los contaminantes, hacia la superficie, y en esa operaci\u00f3n, el crecimiento es estancado”, resume Leite.<\/p>\n Ventaja tecnol\u00f3gica Las l\u00edneas de investigaci\u00f3n en el Liec se extienden a otros materiales y aplicaciones, como el estudio de la fotoluminescencia en compuestos amorfos. Estos materiales, a ejemplo del vidrio, no tienen organizaci\u00f3n at\u00f3mica interna definida, al contrario que los cristales, en los cuales los \u00e1tomos o mol\u00e9culas se distribuyen de manera organizada y regular. La fotoluminescencia se caracteriza por la emisi\u00f3n de luz por algunas sustancias y por la acci\u00f3n de la radiaci\u00f3n que incide sobre ellas. Esa propiedad es conocida desde los a\u00f1os 60, pero \u00fanicamente en materiales cristalinos.<\/p>\n “Acabamos descubriendo una nueva clase de material luminescente”, cuenta el profesor Paulo S\u00e9rgio Pizani, del Departamento de F\u00edsica de la UFSCar. En los experimentos realizados en laboratorio, se verific\u00f3 la fotoluminescencia en titanatos de bario, calcio, estroncio y plomo, compuestos en estado amorfo, sin necesidad de condiciones especiales y de s\u00edntesis. La emisi\u00f3n de luz en esos compuestos amorfos se obtuvo a temperatura ambiente y en formas de polvo y materiales nanoestructurados (pel\u00edculas finas), permitiendo la aplicaci\u00f3n en varios tipos de superficie.<\/p>\n Longo resalta que el gran aporte de la ciencia consiste en contribuir con el d\u00eda a d\u00eda de la gente. Y recuerda el papel desempe\u00f1ado por la Empresa Brasile\u00f1a de Investigaci\u00f3n Agropecuaria (Embrapa, sigla en portugu\u00e9s). La tecnolog\u00eda desarrollada para la soja y la ca\u00f1a de az\u00facar, por ejemplo, fue fundamental para aumentar la productividad y la competitividad de esos productos, con significativo peso en la balanza comercial agr\u00edcola. El Liec cumple con ese precepto a rajatabla. Los resultados pueden verificarse en los productos desarrollados en asociaci\u00f3n con la industria, y en los materiales con aplicaciones que, si bien hoy en d\u00eda est\u00e1n muy distantes del ciudadano com\u00fan, ciertamente tendr\u00e1n implicaciones en los cambios en su cotidiano.<\/p>\n EL PROYECTO<\/strong>
\n<\/strong>El dispositivo, desarrollado en Jap\u00f3n en la d\u00e9cada del 70 para la protecci\u00f3n de equipos de bajo voltaje, fue adaptado por los norteamericanos para trabajar con alta tensi\u00f3n. Los varistores disponibles en el mercado est\u00e1n hechos a base de \u00f3xido de zinc (ZnO), una tecnolog\u00eda descifrada por el Liec, que tambi\u00e9n ya ha patentado una nueva propuesta para la fabricaci\u00f3n de esos dispositivos utilizando di\u00f3xido de esta\u00f1o (SnO2), materia prima hallada en grandes cantidades en Brasil.<\/p>\n
\n<\/strong>La investigaci\u00f3n tecnol\u00f3gica es tambi\u00e9n un factor de competitividad para las industrias sider\u00fargicas. Pero, al igual que en otros sectores, las innovaciones incorporadas a la producci\u00f3n de acero logran mantenerse en secreto por un corto lapso de tiempo. Siempre que hay un congreso, se anuncian las novedades, y los t\u00e9cnicos intentan adaptarlas r\u00e1pidamente. Con todo, el estar un paso al frente de la competencia marca la diferencia, tal como pudo comprobarlo CSN.<\/p>\n
\n<\/strong>Las investigaciones del Liec no se resumen solamente a productos con aplicaci\u00f3n inmediata. Materiales nanoestructurados (a escala de millon\u00e9simas de mil\u00edmetro) est\u00e1n siendo estudiados en el laboratorio y deben estar disponibles para el desarrollo de varios equipamientos en las \u00e1reas de \u00f3ptica y electr\u00f3nica en los pr\u00f3ximos a\u00f1os. Tambi\u00e9n llamados nanocomp\u00f3sitos, \u00e9stos son producto de la mezcla de dos materiales diferentes a escala nanom\u00e9trica.<\/p>\n
\n<\/strong>Los investigadores del Liec tambi\u00e9n sintetizaron nanohilos y nanocintas del semiconductor de di\u00f3xido de esta\u00f1o mediante un proceso m\u00e1s sencillo y barato que el presentado por los estadounidenses Zheng Wei Pan y Zu Rong Dai, en un art\u00edculo publicado en marzo del a\u00f1o pasado en la revista Science. Los norteamericanos obtuvieron esos materiales, con potencial aplicaci\u00f3n en nanoelectr\u00f3nica, utilizando un horno de vac\u00edo, lo que hace que el procedimiento se torne m\u00e1s caro y pr\u00e1cticamente inviable para la industria. Los brasile\u00f1os, entretanto, llegaron a los mismos resultados utilizando un horno com\u00fan, con forma de tubo. La patente de este proceso ya ha sido solicitada, y sus resultados fueron publicados en el\u00a0Journal of Nanoscience and Nanotechnology<\/em>, en abril de este a\u00f1o.<\/p>\n
\nCentro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cer\u00e1micos – Cepid<\/em>
\nCoordinador<\/strong>
\nElson Longo – UFSCar
\nInversi\u00f3n<\/strong>
\nR$ 1.204.888,02 (promedio anual)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Centro de Materiales Cer\u00e1micos investiga nuevas aplicaciones en siderurgia y en productos el\u00e9ctricos","protected":false},"author":22,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[192],"tags":[],"coauthors":[115],"class_list":["post-75566","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-tecnologia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/75566","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/22"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=75566"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/75566\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=75566"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=75566"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=75566"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=75566"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}