Un equipo de la Universidad de Princeton emuló el proceso de formación de nácar que realizan moluscos como ostras y logró crear una pasta cementosa 19 veces más dúctil y 17 veces más resistente a las fracturas y fisuraciones que el cemento tradicional, lo que eventualmente podría mejorar las prestaciones de otros materiales para la construcción, tales como el hormigón.
Mejorar la resistencia del hormigón para hacerlo más durable es uno de los desafíos que tiene el sector que produce este material para, a su vez, hacerlo más sostenible. Para ello, en distintos laboratorios alrededor del mundo se ensayan nuevas fórmulas que mejoren esta cualidad del hormigón, ya sea apostando por hormigones que se reparen a sí mismos, analizando construcciones fabricadas con el material que datan de la época del Imperio Romano, utilizando nanopartículas para mejorar al cemento u otros caminos.
Dentro de estas investigaciones, un equipo liderado por Reza Moini, Ph.D en Ingeniería Civil de la Universidad de Purdue y profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil y Medioambiental de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos, desarrolló un nuevo tipo de cemento, inspirándose en las formaciones de nácar (también conocida como madreperla) que pueden encontrarse en las conchas de ciertos mariscos como ostras y abulones.
“Si es posible diseñar hormigones que puedan resistir la propagación de fisuras, podemos hacerlos más fuertes, seguros y mucho más durables”, dijo sobre este nuevo proyecto Shashank Gupta, candidato a doctorado en Princetos e integrante del equipo de investigación del profesor Moini, que está desarrollando este nuevo compuesto cementoso.
Inspirándose en la biología marina
¿De dónde nació la idea de este nuevo compuesto cementoso? Como se menciona antes, está inspirado en la naturaleza del nácar, el que se encuentra en la formación de conchas de ciertos tipos de moluscos, como las ostras y abulones. Shashank Gupta explica que, a nivel microscópico, el nácar consiste en tabletas hexagonales de aragonito, un duro mineral, las que se unen gracias biopolímero suave.
Estas tabletas de aragonito son las que contribuyen significativamente a la resistencia del nácar, mientras que el biopolímero añade flexibilidad y resistencia a la fisuración. El mecanismo de endurecimiento implica que las tabletas de aragonito se deslicen bajo tensión, lo que, junto con otros mecanismos, permite al nácar disipar la energía. Esta acción deslizante, combinada con la desviación de fisuraciones y la deformación del biopolímero, permite a la madreperla soportar una tensión mecánica sustantiva mientras mantiene su integridad estructural, haciéndolo resistente y resiliente.
En ese sentido, el candidato a doctorado destacó que “la sinergia entre los componentes duros y suaves es crucial para las destacadas propiedades mecánicas del nácar”.
Un nuevo compuesto cementoso para materiales más resistentes y durables
Para emular el proceso, el equipo de Princeton utilizó materiales de construcción convencionales, como una pasta de cemento portland, la que se combinó con una cantidad limitada de polímero. Luego, en laboratorio, se alternaron capas con esta pasta cementosa con un polímero altamente estirable, de polivinilsiloxano.
Los investigadores fabricaron pequeñas vigas formadas por múltiples capas, alternando entre láminas de pasta cementosa y capas delgada de polímero y, posteriormente, sometieron a estas vigas a un ensayo de flexión en tres puntos con muescas, donde cada viga se ensayó bajo flexión para evaluar su resistencia a la fisuración (o tenacidad a la fractura).
En los ensayos, el equipo fabricó tres tipos de vigas. La primera consistió en una que alternó capas de láminas cemento y polímero delgadas. Para la segunda, se utilizó un láser para grabar ranuras hexagonales en las láminas de pasta de cemento, las que se apilaron con delgadas capas de polímero. En la tercera clase de viga era similar a la segunda, pero se cortó el cemento de forma completa, creando tabletas hexagonales separadas conectadas con una capa de polímero.
Los tres tipos de vigas se ensayaron contra una referencia monolítica y revelaron que aquellas con capas alternadas, tanto grabadas o no con láser, demostraron una ductilidad mucho mayor, como también, una mejor resistencia a la fisuración, siendo las vigas con tabletas completamente separadas las que arrojaron resultados más que positivos: 19 veces más ductilidad y 17 veces mejor tenacidad a la fractura, comparada con la viga fabricada sólo con pasta de cemento.
Si bien estos resultados se obtuvieron en laboratorio, para los investigadores este nuevo material ofrece amplias posibilidades. En efecto, ya se encuentran trabajando para determinar si la ductilidad y tenacidad a la fractura de estas estructuras pueden aplicarse a otros materiales cerámicos más allá de la pasta de cemento, como el hormigón. “Sólo estamos escarbando en la superficie de este desarrollo”, aseguró el profesor Moini.
