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LA NANOTECNOLOGÍA EN LA MADERA

Foto de portada: Robert Downey Jr durante la conferencia inaugural de la primera Amazon re:MARS (Machine Learning, Automation, Robotics and Space) en Las Vegas | Fotografía: A lan Boyle | Fuente: https://www.xataka.com/ecologia-y-naturaleza/robert-downey-jr-quierelimpiar-planeta-usando-robotica-inteligencia-artificial-nanotecnologia

“Los materiales no tienen límites; coged una piedra: podéis aserrarla, afilarla, horadarla, hendirla y pulirla, y cada vez será distinta”.

Peter Zumthor.

Pese al que cine toma como base la realidad, la actual situación con la nanotecnología es muy diferente a la del mundo de Tony Stark , aunque se ha producido un gran desarrollo en los últimos tiempos cuyos avances de nuevos materiales o herramientas en diferentes campos de actuación. Por desgracia tales avances aún están lejos de tener la espectacularidad y las magnitud del famoso genio.

Quizás lo primero sea acercarnos al concepto de nanotecnología, ya que no se trata de hacer muy pequeñas las cosas, como es la creencia popular, ni siquiera se le considera una tecnología específica; ni un grupo de tecnologías bien definidas que actúan o se desarrollan en un ámbito específico, por tanto ¿qué es la nanotecnología? Pues es
“un campo muy amplio y heterogéneo de la tecnología en el que se diseñan, caracterizan, producen y aplican estructuras componentes y sistemas manteniendo un control sobre e tamaño y la forma de sus elementos constituyentes (átomos, moléculas ó macromoléculas) a nivel de la escala de los nanómetros, de tal manera que dichas estructuras, componentes o sistemas poseen al menos una propiedad característica nueva o mejorada debido al pequeño tamaño de sus constituyentes”.

Pero podríamos definirla como:

“La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nano escala.”

HISTORIA

Pese a que la nanotecnología todavía se encuentra en su infancia, ya se considera que constituirá una nueva revolución industrial durante el siglo XXI, de forma análoga a lo ocurrido con campos como la biotecnología y la electrónica en el siglo pasado.

Sus primeros pasos fueron en 1936 cuando el físico alemán Erwin Müller, durante su etapa en Siemens, inventó el microscopio de efecto de campo (modelo predecesor del actual microscopio electrónico), que hizo posible la consecución de imágenes cercanas a resolución atómica de los materiales, gracias generar a dicha emisión por efecto de campo. Con este y otros avances se esboza el desarrollo de una nueva disciplina que se fundamente en las propuestas de Richard Feynman, si bien no es hasta 1974 en que Norio Taniguchi, de la Universidad de Ciencias de Tokio, acuña el actual término nanotecnología en el marco dimensional a escala atómica(1). A partir de 1999-2000 los productos de consumo que hacen uso de la nanotecnología comienzan a aparecer en el mercado.

ACTUALMENTE

El crecimiento de la aplicaciones de la nanotecnología es exponencial ya que por cada área en la que podemos imaginar un impacto, habrá otros que nadie ha pensado por lo que aparecerán mejoras continuamente, nuevas capacidades, nuevos productos y nuevos mercados, por tanto la arquitectura no será ajena a estos procesos, de hecho ya se encuentran en el mercado productos.

Estos estudios son aplicables a los materiales de construcción y la madera no es ajena a este fenómeno de nanotecnología. La madera al igual que cualquier otro material tiene partículas microscópicas con una dimensión menor a la de 100 nanómetros (el equivalente a un millar de átomos) que se denominan nanopartículas. Son partículas que presentan un tamaño muy muy pequeño, donde la presencia de ciertas fuerzas atractivas y/o repulsivas tienen un papel fundamental en este mundo donde las leyes de física nano, están por explorar.

El estudio de estos comportamientos ha permitido mostrar que las nanopartículas mejoran generalmente muchas propiedades como resistencia, absorción, reducción de peso, opacidad, etc.

Ilustración de un microbot a base de óxido de grafeno autopropulsado para eliminar el plomo de las aguas residuales. Crédito: Vilela, et al. © 2016 Sociedad Química Estadounidense | Fuente: https://phys.org/news/2016-04-microbots-polluted.html

USO PRINCIPAL EN MADERA

El uso de la nanotecnología supone una gran innovación en el desarrollo de nuevos productos o resultados para la madera, si bien actualmente la industria enfocada a los recubrimientos ha sido la primera explotar este potencial. Inicialmente este los avances se centran en mejorar propiedades concretas como la resistencia a la abrasión y rayo ultravioleta, excelente brillo y transparencia, hidrofobicidad, retardantes del fuego, biocidas, mayor fuerza y flexibilidad, o aislamiento, también aparecen los primeros productos como las nanomaderas.

Se intuye que la aplicación de las nanopartículas conllevará muchas ventajas y oportunidades para la industria maderera y no solo en dentro de los productos de pinturas y recubrimientos. Estos avances permitirán por un lado producir recubrimientos multifuncionales con unos costes muy pequeñas y por otro ser repetuosos con el medio natural ya que muchas de las nanopartículas empleadas para desarrollar estos productos, como nano-ZnO, no son tóxicas. Por lo tanto este tipo de recubrimientos aportan una ventaja adicional en la industria de los recubrimientos para madera.

Los nanorecubrimientos se pueden aplicar de muchas maneras, vía física, química o electroquímica. Dentro de la metodología disponible se encuentran los métodos sol-gel, electro-chispa y láser.

Nanotecnología en madera |Fuente: elrayodelamanecer.com

LAS VENTAJAS EN MEJORA DE PRESTACIONES

La nanotecnología en madera refuerza muchas de sus propiedades, preservándolas, algunas tales como:

Resistencia a la abrasión.

Mediante la aplicación de recubrimientos clásicos la resistencia puede ser mejorada gracias a la imprimación de compuestos de base inorgánica pero lleva aparejada un cambio en el aspecto mate o semimate por dispersión de la luz. Esta habitual problema puede reducirse o incluso desaparecer gracias al uso de nanopartículas ya que puede contrarrestar dicho efecto, mediante el emplea partículas de entre 40 y 60 nm tales como ZrO2, AlOOH y SiO2. Esta aplicación también producen una mejora de resistencia a la abrasión y al rayado.

Resistencia a ultravioleta.

La degradación fotoquímica causada por los rayos ultravioleta en los recubrimientos exteriores de madera, es uno de los principales problemas. Esta degradación se produce por oxidación y descomposición tanto de la propia celulosa como de las imprimaciones inorgánicos u orgánicos empleados, además este efecto se acelera en combinación con la humedad superficial.

Para mejorar esta propiedad de resistencia a los rayos ultravioleta se utilizan nanopartículas como el óxido de titanio u óxido de zinc, ya que la aportación de estos compuestos consiste no sólo en absorber, sino también en reflejar los rayos solares.

Mejora de comportamiento hidrofóbico.

Otra de las propiedades que se logran mejorar con la aplicación recubrimientos basados en nanotecnologías son la hidrofobicidad y repelente de aceites.

La superhidrofobicidad (2) es una propiedad, que hace que el agua derramada en la superficie de los materiales forme gotas en vez de escurrirse o adherirse,. Tiene muchas aplicaciones por lo que su desarrollo se está explorando debido a que genera propiedades autolimpiantes ya que impide el manchado de las superficies y/o el agrietamiento de las maderas por efecto de la humedad, hasta la fatiga térmica de las superficies expuestas al ambiente. Además, favorece la preservación de mobiliario en ambientes húmedos e incluso en condiciones menos higiénicas como los ubicados en baños o cocinas.

Retardantes del fuego.

La mayor parte de los recubrimientos nanotecnológicos incorporan hidróxidos de doble capa (LDH) o de tipo hidrotalcita que son los responsables de mejorar la resistencia al fuego del recubrimiento como retardante de la llama. Estos recubrimientos cuando se queman absorben el calor, liberando agua y dióxido de carbono reduciendo por tanto la temperatura para proteger la madera. Puede mejorar mucho:

  • 1. Penetración conservadora en especies comerciales de madera aserrada
  • 2. Tratabilidad de madera refractaria de bajo valor comercial
  • 3. Durabilidad de compuestos de ingeniería
  • 4. Estabilidad de acabados y recubrimientos para aplicaciones sobre el suelo
  • 5. Tratamientos no lixiviables o hidrofóbicos
Dr. Róger Moya | Fuente: protecciondelamadera.com

Nanobiocidas

Los agentes bióticos tales como las bacterias, termitas, levaduras y hongos, son otros de losproblemas a resolver, ya hemos visto que a través de las maderas modificadas se obtienen buenos resultados con ciertos tipos de madera. Por tanto los nanometales (existen resultados con iónes de plata y nanopartículas de cobre o zinc) son otra opción como biocidas y una alternativa al tratamiento en autoclave con sales de cobre. Estos productos ya comercializados que pueden proveer las bases de la próxima generación de productos de protección de la madera, además presentan ventajas como alta dispersión y estabilidad permitiendo una aplicación uniforme,s no son volátiles, no se degradan con el pasado del tiempo y desprenden menos olores, son en definitiva más eficientes a largo plazo.

“Para aumentar la durabilidad ante el ataque de insectos y hongos, se utilizarán nanopartículas de plata y nanotubos de carbono. Para el caso del reforzamiento de la madera, se usarán adhesivos de nanotubos y nanoarcilla.” Róger Moya

Fig. 1 Completamente derivada de la madera natural, la nanomadera con nanofibrillas de celulosa alineadas jerárquicamente se
puede utilizar como super aislante térmico anisotrópico.
( A ) Esquemas de las propiedades de aislamiento térmico de la nano-madera. ( B ) Fotografía digital de la nano-madera y las
propiedades correspondientes beneficiosas para aplicaciones de aislamiento de edificios.

Aislamiento y resistencia

La necesidad de una mejor eficiencia energética, clave para el ahorro de energía tanto para edificios residenciales como comerciales, y el aumento de los estándares de confort, conlleva la búsqueda de materiales aislantes térmicos de alto rendimiento, livianos y mecánicamente fuertes. De este conjunto y otras acciones resultará una menor huella de carbono pero también nuevos productos como la “nanomadera”. La excelente gestión térmica, abundancia, biodegradabilidad, alta resistencia mecánica y baja densidad de masa lo hacen un producto muy atractivo de cara al futuro.

CONCLUSIONES

Nuevas investigaciones y aplicaciones continuarán apareciendo en un futuro próximo, y así lo expresa Dr. Roberto Daniel Zysler durante una conferencia sobre la materia

“Esta es solo la punta del ovillo, se pueden hacer muchas más cosas mirando ahora desde otro punto de vista al material donde el límite es la imaginación o el requerimiento de un usuario”.

Quizás por esto el sueño de ‘Footprint Coalition’ de Robert Downey Jr. De una iniciativa basada en la nanotecnología punta para reducir la contaminación, esté cada vez cercana, o eso esperamos…

NOTAS

1. 1985 Se descubren los buckminsterfullerenes. El nombre es un homenaje a Buckminster Fuller, el ingeniero inventor de la cúpula geodésica, que tiene una enorme semejanza con esta molécula.

2. El Instituto para la Mediana y Pequeña Empresa Valenciana (Impiva), a través del programa de I+D para institutos tecnológicos, financia el proyecto liderado por Aidima ‘Desarrollo de nuevos materiales superhidrófobos para el sector del mueble, mediante la adición de nanocompuestos’

REFERENCIAS

VEGA CUETO A. et al, Innovación de procesos y productos en el sector de la madera, en Actas de las Conferencias y Ponencias del 6º Congreso Forestal Español, 2015, Aplicaciones industriales de la nanotecnología, Fundación ITMA. Oviedo


*Si te ha gustado el artículo, no te pierdas la serie “Madera Modificada”: