Desde electrodomésticos hasta automóviles, una amplia gama de elementos usan el acero gracias a su resistencia al desgaste o la corrosión, entre otras propiedades; sin embargo, este metal no dura para siempre: la temperatura o el paso del tiempo lo van deteriorando, y en ocasiones reemplazarlo en poco tiempo representa un desafío para la industria.
En laboratorio se elaboró y probó una película más delgada que un cabello humano que duplica la vida útil de este material del que cada año se producen en el mundo más de 1.800 millones de toneladas.
El acero, producto de la combinación natural entre hierro y carbono, ha sido símbolo de fortaleza y durabilidad, de ahí expresiones como “corazón de acero”. Su versatilidad lo convierte en un material esencial para construir edificios, fabricar vehículos, maquinaria industrial o incluso prótesis médicas como clavos, placas y tornillos. Sin embargo, su exposición a altas temperaturas, humedad o agentes corrosivos termina debilitándolo con el tiempo.
Desde hace años la ciencia busca hacer más resistente el acero mediante recubrimientos metálicos que actúan como barreras protectoras, entre ellos el titanio, que ha mostrado una gran capacidad para soportar ácidos, vapores o agua sin degradarse.
Claudia Patricia Mejía Villagrán, doctora en Ingeniería – Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), llevó estos recubrimientos a otro nivel, y para ello, además de titanio también utilizó silicio, zirconio y nitrógeno en una mezcla que genera un escudo más resistente a la corrosión que los usados en el mercado actual, como el nitruro de zirconio.
Parece magia, pero no, es ciencia “pura y dura”, pues como si se tratara de un sombrero del que un mago sacará un conejo, la investigadora utilizó el poder de la técnica de co-sputtering reactivo, la cual consigue fabricar recubrimientos como ningún otro y que se pueden depositar sobre aceros, entre otros materiales.
“Esta técnica es un proceso en el que se logra obtener una película más delgada que un cabello humano, la cual se adhiere al acero formando un recubrimiento protector tipo escudo, con propiedades mejoradas”, explica la doctora.
El proceso es similar a disparar proyectiles a blancos específicos hechos de pelotas; en este caso el argón (proyectil) transfiere energía a las pelotas (zirconio, silicio y titanio), y estas se liberan para combinarse con nitrógeno formando la película delgada, que es un compuesto cerámico (nitruro) que se deposita átomo por átomo a las piezas de acero (de unos 4 cm2). Todo esto ocurre en una cámara de vacío cilíndrica.
Una vez obtenida la película —de apenas 870 nanómetros de grosor, invisible al ojo humano— comienza el verdadero reto, que consiste en comprobar si este recubrimiento es lo suficientemente resistente y duradero como para convertirse en una alternativa prometedora para la industria.
En este “juego” la combinación más efectiva fue la que tenía cerca de un 39 % de zirconio, 7 % de titanio y 4 % de silicio (el restante 50 % es nitrógeno con muy poco oxígeno). El silicio funciona como un lubricante sólido que hace la película ni muy débil ni muy rígida.
Comprobar la fuerza del acero mejorado
Para saber si esta capa realmente protegía al acero, la investigadora le hizo pruebas que simulan las condiciones del día a día en la industria. Primero midió qué tanto resistía la presión, utilizando un ensayo de dureza a nivel de nanómetros; en este, cuanto menos se hunda la superficie, más duro es el material. Así quedó demostrado al disminuir el contenido de zirconio desde 50 % hasta el valor reportado de 39 %, la dureza fue cerca de un 30 % superior (23 GPa) comparada con el nitruro de zirconio puro (18 GPa).
Luego analizó qué tanto avanza la corrosión cuando el acero está en contacto con un ambiente con sales que puedan desgastarlo, mediante pruebas electroquímicas que aceleran el deterioro; allí los recubrimientos redujeron notablemente la corrosión respecto al acero sin proteger. Así determinó que la película con zirconio, silicio, titanio y nitrógeno era más resistente que una pieza de acero sin ningún recubrimiento o con los usados actualmente.
“Este tipo de desarrollos evitarían que personas con una prótesis de cadera deban reemplazarla tantas veces durante su vida, pues en algunos casos este proceso se da hasta cuatro veces, pero con el acero mejorado se reduciría esta necesidad llegando incluso a que no sea necesario hacer intervenciones quirúrgicas adicionales”, asegura la doctora Mejía.
Además, el método de co-sputtering reactivo es menos contaminante, ya que no emplea ácidos fuertes ni tóxicos como otras técnicas, lo que reduce residuos y su impacto ambiental. A esto se suma el beneficio económico de hacer que las piezas de acero duren más, ya que, por ejemplo, herramientas de corte que en algunos casos pueden desgastarse y requerir reemplazo tras apenas una hora de uso; así se disminuyen los costos por mantenimiento y cambios frecuentes en la industria.
“En la actualidad planeo realizar un proyecto de minería urbana para recuperar los elementos metálicos de los dispositivos electrónicos, con el fin de ser reutilizados para hacer recubrimientos”, indica la doctora Mejía, cuya investigación fue dirigida y apoyada por los profesores John Jairo Olaya, de la Facultad de Ingeniería, y Carlos Mario Garzón, del Departamento de Física.
