Los investigadores han encontrado una forma de fabricar materiales ultraligeros similares a esponjas a partir de fibras cerámicas a nanoescala. El altamente poroso, Las esponjas comprimibles y resistentes al calor podrían tener numerosos usos, desde dispositivos de purificación de agua hasta materiales aislantes flexibles.

"La pregunta científica básica que intentamos responder es cómo podemos hacer un material que sea altamente deformable pero resistente a altas temperaturas, "dijo Huajian Gao, profesor de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Brown y autor correspondiente de la investigación. "Este artículo demuestra que podemos hacer eso enredando nanofibras cerámicas en una esponja, y el método que usamos para hacerlo es económico y escalable para producirlos en grandes cantidades ".

La obra, una colaboración entre el laboratorio de Gao en Brown y los laboratorios de Hui Wu y Xiaoyan Li en la Universidad de Tsinghua en China, se describe en la revista Avances de la ciencia .

Como bien sabe cualquiera que alguna vez haya dejado caer un jarrón de flores, las cerámicas son materiales quebradizos. Las grietas en la cerámica tienden a propagarse rápidamente, conduciendo a fallas catastróficas con incluso la más mínima deformación. Si bien eso es cierto para todas las cerámicas tradicionales, las cosas son diferentes a nanoescala.

"A nanoescala, las grietas y los defectos se vuelven tan pequeños que se necesita mucha más energía para activarlos y hacer que se propaguen, "Dijo Gao." Las fibras a nanoescala también promueven mecanismos de deformación como lo que se conoce como fluencia, donde los átomos pueden difundirse a lo largo de los límites de los granos, permitiendo que el material se deforme sin romperse ".

Debido a esas dinámicas a nanoescala, los materiales hechos de nanofibras cerámicas tienen el potencial de ser deformables y flexibles, mientras se mantiene la resistencia al calor que hace que la cerámica sea útil en aplicaciones de alta temperatura. El problema es que estos materiales no son fáciles de fabricar. Un método de uso frecuente para fabricar nanofibras, conocido como electrohilado, no funciona bien con cerámica. Otra opción potencial, Impresión láser 3-D, es caro y requiere mucho tiempo.

Entonces, los investigadores usaron un método llamado solución de hilado por soplado, que había sido desarrollado previamente por Wu en su laboratorio en Tsinghua. El proceso utiliza presión de aire para impulsar una solución líquida que contiene material cerámico a través de una pequeña abertura de jeringa. A medida que emerge el líquido, se solidifica rápidamente en fibras a nanoescala que se recogen en una jaula giratoria. Luego se calienta el material recolectado, que quema el material solvente dejando una masa de nanofibras cerámicas enredadas que se parece un poco a una bola de algodón.

Los investigadores utilizaron el método para crear esponjas hechas de una variedad de diferentes tipos de cerámica y demostraron que los materiales tenían algunas propiedades notables.

Por ejemplo, las esponjas pudieron rebotar después de la tensión de compresión hasta en un 50 por ciento, algo que ningún material cerámico estándar puede hacer. Y las esponjas pueden mantener esa resistencia a temperaturas de hasta 800 grados Celsius.

La investigación también mostró que las esponjas tenían una notable capacidad de aislamiento a altas temperaturas. En un experimento, los investigadores colocaron un pétalo de flor encima de una esponja de 7 milímetros de espesor hecha de nanofibras de dióxido de titanio (un material cerámico común). Después de calentar la parte inferior de la esponja a 400 grados Celsius durante 10 minutos, la flor de arriba apenas se marchitó. Mientras tanto, los pétalos colocados sobre otros tipos de materiales cerámicos porosos en las mismas condiciones se quemaron hasta que quedaron crujientes.

La resistencia al calor de las esponjas y su deformabilidad las hacen potencialmente útiles como material aislante donde la flexibilidad es importante. Por ejemplo, Gao dice, el material podría utilizarse como capa aislante en la ropa de los bomberos.

Otro uso potencial podría ser la purificación de agua. El dióxido de titanio es un fotocatalizador bien conocido que se utiliza para descomponer moléculas orgánicas, que mata las bacterias y otros microorganismos en el agua. Los investigadores demostraron que una esponja de dióxido de titanio podía absorber 50 veces su peso en agua que contenía un tinte orgánico. En 15 minutos, la esponja pudo degradar el tinte bajo iluminación. Con el agua escurrida la esponja podría reutilizarse, algo que no se puede hacer con los polvos de dióxido de titanio que se utilizan normalmente en la purificación de agua.

Además de estos, Puede haber otras aplicaciones para las esponjas de cerámica que los investigadores aún no han considerado.

"El proceso que usamos para hacer estos es extremadamente versátil; se puede usar con una gran variedad de diferentes tipos de materias primas cerámicas, "dijo Wu, uno de los autores correspondientes de Tsinghua. "Así que creemos que hay una gran posibilidad de aplicaciones potenciales".