El acero es omnipresente en nuestra vida cotidiana. Cocinamos en sartenes de acero inoxidable, viajamos en vagones de acero sobre rieles de acero a nuestras oficinas en un edificio con estructura de acero. Los tornillos de acero mantienen unidos los huesos rotos, los frenos de acero enderezan los dientes torcidos, los escalpelos de acero eliminan los tumoresLa mayoría de los bienes que consumimos son entregados por barcos y camiones construidos principalmente de acero.
Si bien se han desarrollado varios grados de acero en los últimos 50 años, las superficies de acero se han mantenido en gran medida sin cambios y sin mejoras. El acero de hoy es más propenso que nunca a los efectos corrosivos del agua, la sal y los materiales abrasivos como la arenaLas herramientas quirúrgicas de acero aún pueden transportar microorganismos que causan infecciones mortales.
Ahora, los investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard John A. Paulson SEAS han demostrado una forma de hacer que el acero sea más fuerte, más seguro y más duradero. Su nuevo recubrimiento de superficie, hecho de óxido de tungsteno nanoporoso, es el másmaterial duradero antiincrustante y anticorrosivo hasta la fecha, capaz de repeler cualquier tipo de líquido incluso después de sufrir un abuso estructural intenso.
El nuevo material se une a la cartera de otros materiales antiadherentes y antiadherentes desarrollados en el laboratorio de Joanna Aizenberg, la profesora Amy Smith Berylson de Ciencia de los Materiales y miembro principal de la facultad del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en la Universidad de Harvard.El equipo de Aizenberg desarrolló Superficies Porosas Infundidas con Líquido Resbaladizo en 2011 y desde entonces ha demostrado una amplia gama de aplicaciones para el recubrimiento súper resbaladizo, conocido como SLIPS. El nuevo acero mejorado SLIPS se describe en Comunicaciones de la naturaleza .
"Nuestro acero resbaladizo tiene órdenes de magnitud más durables que cualquier material antiincrustante que se haya desarrollado antes", dijo Aizenberg. "Hasta ahora, estos dos conceptos - durabilidad mecánica y antiincrustante - estaban en desacuerdo con cada unootros. Necesitamos superficies para ser texturizadas y porosas para impartir resistencia al ensuciamiento, pero los revestimientos nanoestructurados rugosos son intrínsecamente más débiles que sus análogos a granel. Esta investigación muestra que la ingeniería cuidadosa de la superficie permite el diseño de un material capaz de realizar funciones múltiples, incluso conflictivas, sindegradación del rendimiento "
El material podría tener aplicaciones y vías de gran alcance para la comercialización, incluidas herramientas y dispositivos médicos que no ensucian, como implantes y escalpelos, boquillas para impresión 3D y, potencialmente, aplicaciones a mayor escala para edificios y embarcaciones marinas.
El mayor desafío en el desarrollo de esta superficie fue descubrir cómo estructurar el acero para garantizar su capacidad antiincrustante sin degradación mecánica. El equipo resolvió esto utilizando una técnica electroquímica para hacer crecer una película ultradelgada de cientos de miles de pequeñose islas rugosas de óxido de tungsteno directamente sobre una superficie de acero.
"Si una parte de una isla se destruye, el daño no se propaga a otras partes de la superficie debido a la falta de interconectividad entre las islas vecinas", dijo Alexander B. Tesler, ex becario postdoctoral en SEAS, investigador actualen el Instituto de Ciencia Weizmann en Israel y el primer autor del artículo: "Esta morfología similar a una isla combinada con la durabilidad y aspereza inherentes del óxido de tungsteno permite que la superficie mantenga sus propiedades repelentes en aplicaciones altamente abrasivas, lo que era imposible hasta ahora".
La deposición electroquímica ya es una técnica ampliamente utilizada en la fabricación de acero, dijo Aizenberg.
"No quiero crear otra línea que cueste millones y millones de dólares y que nadie adopte", dijo Aizenberg. El objetivo, dijo, es ser escalable, pero no perjudicial para las prácticas actuales de la industria.
El equipo probó el material rascándolo con pinzas de acero inoxidable, destornilladores, trazos con punta de diamante y golpeándolo con cientos de miles de cuentas duras y pesadas. Luego, el equipo probó sus propiedades antihumectantes con una amplia variedad delíquidos, incluyendo agua, aceite, medios altamente corrosivos, fluidos biológicos que contienen bacterias y sangre. El material no solo repele todo el líquido y muestra un comportamiento antiincrustante, sino que el óxido de tungsteno en realidad hizo que el acero fuera más resistente que el acero sin el recubrimiento.
Los dispositivos médicos de acero son una de las aplicaciones más prometedoras del material, dijo Philseok Kim, coautor del artículo y cofundador y vicepresidente de tecnología de SEAS spin-off SLIPS Technologies Inc. "Porque demostramos que este material fue exitosorepele bacterias y sangre, pequeños implantes médicos, herramientas e instrumentos quirúrgicos como escalpelos y agujas que requieren una resistencia mecánica significativa y propiedades antiincrustantes son productos de alto valor agregado que estamos explorando para su aplicación y comercialización ", dijo Kim.
Otra vía de aplicación es la impresión 3D funcional y los dispositivos de microarrays, especialmente en la impresión de materiales biológicos y poliméricos altamente viscosos y pegajosos donde la fricción y la contaminación son los principales obstáculos.
La Marina de los EE. UU. Gasta decenas de millones de dólares cada año para hacer frente a las ramificaciones de la bioincrustación en los cascos. Los organismos como los percebes y las algas crean resistencia y aumentan el gasto de energía, sin mencionar los costos de limpiar y volver a aplicar las pinturas antiincrustantes actuales, la mayoríade los cuales son perjudiciales para el medio ambiente. Si se amplía, este material podría proporcionar una alternativa más limpia y rentable.
"Esta investigación es un ejemplo de núcleo duro, ciencia de materiales clásica", dijo Aizenberg. "Tomamos un material que cambió el mundo y preguntamos, ¿cómo podemos mejorarlo?"
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