Las propiedades de la arcilla pueden transformarse en algo tan duro como el acero, y al mismo tiempo tan liviano como el plástico y tan rígido como la fibra de carbón y además barato. Algo que suena como música en el oído de los fabricantes de aviones y automóviles, que buscan ansiosamente encontrar alternativas para el acero y aluminio. Hasta ahora la mejor opción ha sido el compuesto de fibra de carbón, un material que ya ha usado la Vokswagen para fabricar automóviles livianos. Pero para producirlo requiere temperaturas de 1500 ºC, lo que encarece mucho el costo de un sencillo automóvil familiar.

Para fabricar compuestos duros y resistentes basados en arcilla, los investigadores se han estado inspirando en la madre-perla, la substancia que recubre interiormente las conchas que producen las perlas. La dureza de este material se conoce ya, desde la década de 1970 (Proceeding of the Royal Society B, vol 196, p 443). En ella el ingrediente básico es aragonita, una forma de carbonato de calcio, que en su forma pura, no tiene mucha gracia, ya que es muy suave, pero quebradiza. Sin embargo cuando estas superficies de aragonita se alternan con capas de proteínas y otros biopolímeros, de un grosor no mayor de 10 a 50 nanometros, se convierte en un material de propiedades mecánicas excepcionales (ver figura).

Fue esto lo que inspiró a los científicos que están ensayando la arcilla junto a diversos materiales políméricos. Hay diferentes formas de utilizar la arcilla, pero todos comparten la misma estructura básica, capas planas de arcilla, con otros materiales, constituyendo plateletas de un grosos nanomérico, con lo que pretenden conseguir un material muy resistente.

Ha sido la fábrica Toyota la primera que ha comenzado a usar compuestos de arcilla y estructuras de nylon, creando un nano compuesto muy resistente. Con ello cubrió con éxito el eje leva de los motores de sus automóviles. De allí en adelante han ido encontrando numerosas otras aplicaciones.

Estos nano compuestos de arcilla poseen sólo una fracción de la fuerza que tiene la madre-perla. Ella esta compuesta en un 99% por aragonita, con mínimas capas de proteína entre medio. Lo que usa Toyota tiene sólo un 5% de arcilla. A este material le falta mucho para llegar a la solidez de la madre-perla. Los moluscos logran formar la madre-perla creciendo muy lentamente, durante meses. Para lograr la dureza no sólo es cuestión de la mezcla, si no también de tiempo. La concha no tiene apuro. Los investigadores han estado tratando de imitar la estructura de la madre-perla, pero en menor tiempo. Su tecnología ha variado desde dejarlas como capas en suspensión, a centrifugarlas para que la mezcla consolide rápido, pero los avances han sido escasos.

El mayor avance se obtuvo recién en el año 2007, Nicolas Kotov y su equipo de la Universidad de Michigan en Ann Arbor, descubrieron como lograr una estructura semejante a la madre-perla, creciendo capa a capa. Sumergieron una placa de vidrio, alternativamente en una suspensión de acetato de polivinilo y arcilla. Consiguieron construir un material liviano e increíblemente fuerte. (Science, vol 318, p 80). Si lograran construir esta composición en masa, la industria podría contar con un compuesto alternativo de la fibra de carbono. El inconveniente es que se necesita dos días, sumergiendo la pieza del tamaño de una carta de naipe, alcanzando un grosor de un cabello. Pero se necesita llegar a 100 veces este grosor y no está claro como esta técnica de avanzar capa a capa, pueda ser compatible con las necesidades de una producción industrial en masa.

El asunto ha interesado a muchos otros investigadores. Julian Evans del departamento de química de la University College de Londres, ha estado también trabajando durante cuatro años y ahora cree que ha obtenido resultados. Ha utilizando un truco de filtrar una suspensión de plateletas de arcilla, impregnándolas con polímeros (Bioinspiration and Biomimetics, vol 3, p 016005). “El filtrado ayuda que las plateletas se ordenen en su estructura”, dice Evans.

Peng Jiang y sus colegas de la Universidad de Florida, en Gainesville, usan un campo eléctrico para atraer las plateletas de arcilla y los polímeros en una solución. Afirman que en cinco minutos logran un film nanocompuesto de 0.1 milímetro de grosor. Ello en una centésima de tiempo de lo que logra Kotov (Chemistry of Materials, vol 21, p. 2039).

Las posibilidades están, pero todavía aún están lejos que estos compuestos lleguen a usarse en la fabricación de automóviles y aviones. Todavía tendrán que continuar tratando de imitar a la concha-perla, pero apurando el tranco. Ella tiene todo el tiempo a su disposición para logar la dureza estructural que desea.



* Jon Cartwright. Feat of Cla.y New Scientist, November 13, p 46, 2010