¿Podemos tener cerámicas a la carta manipulando el nanomundo?

¿A quién no se le ha caído una pieza de cerámica alguna vez? Todos sabemos que en el momento en el que la pieza toque el suelo, acabará hecha añicos. Todos sabemos también que esto es debido a su extrema fragilidad: las cerámicas son materiales por los que las grietas se propagan con muchísima facilidad.

Junto a las llamadas cerámicas tradicionales, que se conocen y se usan desde la antigüedad (los restos arqueológicos más antiguos de los que se tiene constancia son de hace 20000 años), hace unos 60 años aparecieron en escena las llamadas cerámicas avanzadas. Estos materiales se caracterizan principalmente por su capacidad de resistir el calor y el ataque químico, y se valoran por presentar propiedades específicas que los convierten en elementos muy interesantes para un sinfín de aplicaciones, entre las que se cuentan recubrimientos para turbinas utilizadas en aeronáutica, sensores de oxígeno, prótesis, implantes o sistemas micro-electromecánicos. Sin embargo, persiste el desafortunado problema de la alta fragilidad. ¿Podríamos resolverlo o al menos minimizarlo manipulando estos materiales en la nanoescala?

La famosa conferencia impartida por Richard Feynman en 1959 en el Instituto de Tecnología de California: “There´s plenty of room at the bottom” (en el fondo hay espacio de sobra) se considera el pistoletazo de salida para el desarrollo de una nueva disciplina que más tarde se conocería como nanotecnología. En esta conferencia, ya se hablaba de la manipulación y control de objetos a muy pequeña escala. Otro de los hitos considerados históricos para la nanotecnología es el hallazgo de nuevas formas del carbono, como los fulerenos (Smalley, 1985)  o los nanotubos de carbono (Iijima, 1991). 

Desde su descubrimiento, los nanotubos de carbono han despertado un creciente interés. Esta nueva forma alotrópica del carbono se caracteriza por estar constituida por redes hexagonales curvadas y cerradas, formando tubos de tamaño nanométrico (diez mil veces más finos que un cabello), ligeros y huecos. Poseen una resistencia a la tracción en torno a un centenar de veces más alta que la del acero, presentan una elevada flexibilidad y pueden tolerar grandes deformaciones antes de la rotura. Además, desde el punto de vista eléctrico pueden comportarse como un metal de elevada conductividad eléctrica o un semiconductor.

Debido a estas fascinantes propiedades, se presentaron como los nanomateriales ideales para la modificación de la nanoescala cerámica. Como consecuencia de su alta flexibilidad, los nanotubos se sitúan rodeando los granos que forman la cerámica, y podría esperarse que impidiesen la propagación de las fisuras. Por otra parte, la adición de nanotubos modificaría completamente el comportamiento eléctrico de la cerámica, pasando en algunos casos de ser un material altamente aislante a uno conductor cuya conductividad depende de la cantidad de nanotubos de carbono que contenga.

¿Es realmente posible reducir la fragilidad de las cerámicas?

En los últimos años, nuestro grupo de investigación ha abierto una nueva línea de trabajo para estudiar los efectos de la incorporación de nanotubos de carbono en diferentes materiales cerámicos, con el fin de dar respuesta a las cuestiones que continuaban abiertas: ¿es realmente posible reducir la fragilidad de las cerámicas mediante la incorporación de nanotubos de carbono? ¿Cuál es la cantidad ideal de nanotubos que debe incorporarse para conseguirlo? ¿Es posible modificar también otras de sus propiedades?

Tras analizar cerámicas con diferentes cantidades de nanotubos de carbono hemos encontrado que, en contra de lo que pueda parecer, introducir altos porcentajes de nanotubos resulta perjudicial para propiedades como la dureza o la resistencia a la propagación de fisuras. Aunque inicialmente se pensó que esto era debido a una distribución heterogénea de los nanotubos en el material, los cuales tienden a disponerse en forma de aglomerados (una especie de maraña formada por una gran cantidad de nanotubos desordenados) en lugar de distribuidos rodeando los granos cerámicos, nuestras investigaciones han apuntado a que más bien se trata de un efecto intrínseco relacionado con la disposición en forma de haces de los nanotubos (en este caso, los nanotubos se disponen de una forma más ordenada y alineados entre sí).

Para altos porcentajes de nanotubos, haces con un alto grosor se colocan rodeando los granos cerámicos de manera que no evitan la propagación de grietas, sino que al avanzar éstas por el material se observa el deslizamiento de los nanotubos dentro del haz y la separación de los granos cerámicos. Sin embargo, con la incorporación de porcentajes muy bajos de nanotubos se consigue mejorar levemente la resistencia a la propagación de fisuras en la cerámica y, de manera paralela, se consigue aumentar significativamente la conductividad de la cerámica. Así, manipulando de forma controlada la cantidad de nanotubos podemos obtener una cerámica menos frágil y con una conductividad eléctrica a la carta.