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Órganos impresos, bisturíes a medida y otras aplicaciones médicas de la impresión 3D

Una de las tecnologías que más impacto ha tenido en los avances en medicina de los últimos años ha sido la impresión 3D. En la década de los 90 se comenzó a utilizar en la producción de implantes dentales y prótesis personalizadas, sorprendiendo incluso a su inventor, Charles Hull, quien no anticipaba un uso tan beneficioso en el ámbito médico.

Hoy día, la impresión 3D permite crear prótesis más avanzadas, como órganos artificiales y brazos protésicos controlados mediante estímulos cerebrales. También se ha mejorado la precisión en los procedimientos quirúrgicos gracias a la producción de modelos anatómicos y herramientas adaptadas, lo que ha contribuido a optimizar el resultado de las intervenciones. Por si fuera poco, la impresión 4D también promete nuevas oportunidades en regeneración de tejidos y cirugías reconstructivas.

Además, la lucha contra el cáncer ha experimentado avances significativos gracias a la impresión 3D. Recientemente, la Unidad de Tecnologías Avanzadas en Diseño e Impresión 3D (UTADI 3D) del Hospital 12 de Octubre de la Comunidad de Madrid ha implementado moldes impresos en 3D en sus tratamientos oncológicos. Estos moldes mejoran la precisión y seguridad del tratamiento radioterápico ofreciendo así una atención personalizada y de vanguardia en el campo de la medicina.

En el campo de las prótesis médicas, el avance de esta tecnología permite producir piezas adaptadas a la anatomía única de cada paciente, siendo cada vez más sofisticadas, funcionales, cómodas, livianas y estéticas.

Hoy en día, la bioimpresión combina células y biomateriales para la creación de tejidos y órganos vivos que pueden servir tanto para reemplazar estructuras dañadas o envejecidas, como para sustituir a los modelos animales en ensayos farmacológicos o en la generación de modelos de enfermedades.

La técnica, conocida como impresión 4D, permite imprimir objetos tridimensionales capaces de autoensamblarse mediante estímulos externos, como campos magnéticos, y ejercer una fuerza controlada sobre el tejido circundante.

Actualmente, en el Instituto IMDEA Materiales de la Comunidad de Madrid, trabajan en proyectos relacionados con el uso de la impresión 4D en medicina. El proyecto BIOMET4D, financiado por el Consejo Europeo de Innovación, pretende desarrollar una nueva generación de implantes con propiedades dinámicas para restaurar tejidos, aplicables en cirugías reconstructivas en afecciones como la craneoestenosis, por la cual los huesos del cráneo del bebé se cierran prematuramente.

No cabe duda de que la impresión 3D y 4D, con su capacidad para personalizar tratamientos y mejorar la eficiencia operativa, está transformando no solo cómo los médicos abordan la atención al paciente, sino también cómo los pacientes experimentan su tratamiento y recuperación. A medida que avanzamos, es probable que continúe siendo una fuerza motriz en la innovación médica y que con cada avance nos acerquemos a un futuro donde la medicina personalizada sea la norma y no la excepción.

Pedro Jesús Navarrete Segado, Investigador postdoctoral, Impresión 3D y Biomateriales, IMDEA MATERIALES

Fuente: IMDEA Materiales

Novedoso recubrimiento nanotecnológico mejorará la resistencia al fuego de las carcasas protectoras de las baterías

Los investigadores del Instituto IMDEA Materiales de TecnoGetafe han presentado un innovador recubrimiento retardante de llama, efectivo con grosores de tan solo 350 micrones, que mejora drásticamente la resistencia al fuego de las carcasas de baterías utilizadas en vehículos eléctricos y aeroespaciales.

Este avance promete reducir los riesgos asociados con fenómenos como el descontrol térmico en baterías de ion litio, al mismo tiempo que mejora la aplicabilidad y el rendimiento de las baterías en escenarios de alta temperatura.

Los hallazgos son el resultado del trabajo de los investigadores de IMDEA Materiales, Wei Tang y Yunhuan Liu, ambos miembros del grupo de Polímeros de Alto Rendimiento y Retardantes de Fuego del instituto, bajo la dirección del Prof. Dr. De-Yi Wang.

En su investigación, los científicos realizaron pruebas de penetración de fuego tanto en placas de aluminio de 3 mm recubiertas como no recubiertas, a temperaturas de hasta 1400°C.

Este tipo de prueba es de gran importancia en diversas industrias, ya que permite a los investigadores determinar cuánto tiempo tarda el fuego en penetrar un material, lo que indica su susceptibilidad a fallas estructurales y peligros potenciales.

Fuente: IMDEA Materiales

IMDEA Materiales y ArcelorMittal lideran el avance del diseño sostenible aceros

El proyecto IRIDISCENTE cuenta con un presupuesto de más de €9.000.000 y será el proyecto más grande coordinado por el Instituto IMDEA Materiales en su historia. IRIDISCENTE busca el aprovechamiento de nuevas herramientas digitales, en particular la inteligencia artificial, para reutilizar chatarra y evitar el desperdicio de materiales.

Frente a la confluencia de una crisis de materias primas, una crisis energética y medioambiental, un ambicioso proyecto busca abordar el desafío crucial de la sostenibilidad en una de las industrias claves en la transición a la economía verde.

IRIDISCENTE, co-coordinado por el Instituto IMDEA Materiales y ArcelorMittal, es una nueva iniciativa para reducir las emisiones de carbono y disminuir la dependencia de materias primas críticas en la industria de producción de acero.

Con un presupuesto de más de €9.000.000, financiado por el programa TRANSMISIONES del Ministerio de Ciencia e Innovación de España, a través de la Agencia Estatal de Investigación y el CDTI Innovación, IRIDISCENTE marca un hito significativo en la investigación y desarrollo de materiales avanzados.

Además de IMDEA Materiales y ArcelorMittal, una de las principales empresas integradas de acero y minería del mundo, centros tecnológicos, PYMES y empresas de toda España.

Los socios incluyen a la Universidad Carlos III de Madrid, la Universidad de Burgos, AIMEN Centro Tecnológico, TheNextPangea, Renishaw Ibérica, Blesol Tech, mim-tech ALFA, AENIUM, IDAERO SOLUTIONS y Syspro Automation.

IRIDISCENTE pretende promover el diseño sostenible de aleaciones de acero y procesos eficientes, aprovechando herramientas digitales avanzadas, incluyendo la Inteligencia Artificial (IA).

Entre los objetivos del proyecto se encuentra la implementación de un espacio de datos para el desarrollo inteligente de nuevos materiales de acero, utilizando algoritmos de IA para modelar la cadena de valor de materiales.

Estos modelos incluirán datos derivados del modelado físico de aleaciones, procesos, microestructuras y propiedades de nuevas aleaciones de acero.

Fuente: IMDEA Materiales

IMDEA Materiales se consolida como uno de los principales centros de investigación en España en la última convocatoria MSCA

El Instituto IMDEA Materiales de TecnoGetafe ha sido galardonado con siete Becas Postdoctorales Marie Skłodowska-Curie, siendo la cuarta institución de investigación o universidad española con más becas otorgadas.

Materiales novedosos que permiten a los edificios aprovechar la energía solar como calefacción en invierno y reflejar la luz solar en los meses de calor, aleaciones de hierro ultrafinas y basadas en titanio, y modelado sofisticado para mejorar la eficiencia de las turbinas de gas.

Estos son solo tres de los proyectos potencialmente revolucionarios que se llevarán a cabo en IMDEA Materiales en los próximos años, tras el éxito del Instituto en la convocatoria anual de Becas Postdoctorales Marie Skłodowska-Curie (MSCA).

Las becas postdoctorales MSCA son de las más prestigiosas y competitivas que se otorgan dentro de la Unión Europea. Las 7 becas recibidas por IMDEA Materiales colocan al instituto como la cuarta institución o universidad de investigación española, y la tasa de éxito del Instituto, del 41%, supera significativamente el promedio del 16%. Esto también sigue a las 7 becas obtenidas en la convocatoria anterior de 2022.

“El éxito en la obtención de estas becas se debe a las ideas innovadoras, el prestigio internacional de los supervisores y las oportunidades de transferencia de conocimiento entre los investigadores y el Instituto”, afirmó el jefe de la Oficina de Gestión de Proyectos de IMDEA Materiales, Germán Infante.

Además de los mencionados anteriormente, los proyectos otorgados también se relacionan con la creación de cápsulas para conservar las propiedades de frutas y verduras, la invención de fluidos iónicos benignos para baterías de aluminio, técnicas de impresión 3D y el uso de Cálculos de Primeros Principios y Metodología Calphad para desarrollar aleaciones metálicas más fuertes y ligeras.

Los siete proyectos serán supervisados por algunos de los investigadores principales de IMDEA Materiales. Los siete proyectos de investigación y sus supervisores son:

BIOCOMAT (supervisado por el Dr. Maciej Haranczyk): El consumo de frutas y verduras ricas en compuestos polifenólicos es beneficioso debido a sus propiedades antioxidantes. Estos compuestos protegen nuestra salud, nos mantienen sanos y combaten enfermedades. La investigación se centrará en asegurar que estos compuestos polifenólicos se mantengan en condiciones óptimas mediante la creación de cápsulas para transportar y preservar sus propiedades.

IMMMPACCT: (Dr. Damien Tourret): La impresión 3D mediante Binder Jetting no requiere aplicación de calor. El proyecto tiene como objetivo comprender el potencial de esta técnica y cerrar la brecha entre la teoría y la práctica.

MIM-TBC (Prof. Javier Segurado): La investigación se centra en desarrollar un modelo que pueda predecir cuándo será necesario renovar los recubrimientos de barrera térmica de las turbinas de gas.

NC-PEPA (Dr. Juan José Vilatela): Las baterías de aluminio recargables (RAB, siglas en inglés) tienen gran potencial debido a su seguridad y capacidad de almacenamiento de energía. Sin embargo, los electrolitos líquidos iónicos utilizados en estas baterías son extremadamente corrosivos para el aluminio. Este proyecto tiene como objetivo crear un nuevo tipo de fluido que sea benigno para las (RAB).

PD-MPEA (Prof. Javier LLorca): El objetivo es encontrar aleaciones de elementos multiprincipales (MPEA), una nueva clase de metales, basadas en cálculos de primeros principios y metodología Calphad. Estas aleaciones deberían ser más fuertes y ligeras, lo que las hace aplicables para mejorar productos como aviones y automóviles.

SOLAR-MATER (Prof. Dr. De-Yi Wang): La investigación se centra en desarrollar materiales que permitan a los edificios utilizar la energía solar para calefacción o reflejar la luz solar para mantener temperaturas frescas, según el clima. Este enfoque reducirá la dependencia de los combustibles fósiles y promoverá prácticas energéticas sostenibles.

UTIFE (Dr. Federico Sket): El proyecto tiene como objetivo desarrollar aleacionesultrafinas basadas en hierro y titanio (materiales que son fuertes, livianos y resistentes al calor) utilizando la técnica de fusión selectiva por láser (SLM). El objetivo es mejorar su madurez tecnológica y obtener una mejor comprensión de cómo pueden formarse, dañarse o sanarse.

Además, el éxito colectivo de las entidades españolas en esta convocatoria también es notable, ya que España fue el país europeo que recibió el mayor número de subvenciones.

“El programa de Becas Postdoctorales Marie Skłodowska-Curie desempeña un papel crucial en la atracción de investigadores de primer nivel a España con unas condiciones laborales muy atractivas”, dijo Infante.

IMDEA Materiales desea reconocer y agradecer a todos los solicitantes, supervisores y al personal de soporte por su trabajo en el logro de este destacable hito. El Instituto confía en que todos los proyectos contribuirán significativamente al avance científico y la innovación en el medio-largo plazo.

Fuente: IMDEA Materiales

El Director Científico de IMDEA Materiales hace historia como el primer español en recibir el Premio Morris Cohen

El Director Científico de IMDEA Materiales de TecnoGetafe, el Prof. Javier LLorca, se ha convertido en el primer investigador español en recibir el Premio Morris Cohen de la Sociedad de Minerales, Metales y Materiales (TMS, por sus siglas en inglés).

El reconocimiento llega un año después de que el Prof. LLorca fuera el primer español en ser galardonado con el honor de Científico/Ingeniero Distinguido de la División de Materiales Estructurales de la TMS.

El Prof. LLorca, quien también es profesor de Ciencia de Materiales en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), recibió el premio durante la 153ª Reunión Anual de la TMS en Orlando, Florida.

El Premio Morris Cohen reconoce a una persona que ha realizado contribuciones sobresalientes a la ciencia y/o tecnología de las propiedades de los materiales.

Se le otorgó al Prof. LLorca «por sus contribuciones para desvelar el vínculo entre la microestructura y las propiedades mecánicas en una amplia variedad de materiales estructurales mediante estrategias de modelización multiescala y técnicas de caracterización nanomecánica».

La presentación formal del premio tuvo lugar en la Ceremonia de Premios TMS-AIME de la Reunión Anual de la TMS el miércoles.

Es el último reconocimiento de los esfuerzos continuos del Prof. LLorca para avanzar en el campo de la ciencia de materiales. También es el actual ganador del Premio Nacional de Investigación Leonardo Torres Quevedo en Ingeniería, un premio que recibirá en una ceremonia oficial en Gandía el 14 de marzo.

La TMS es una sociedad profesional que conecta a científicos e ingenieros de minerales, metales y materiales que trabajan en la industria, la academia y posiciones gubernamentales en todo el mundo. Actualmente, cuenta con más de 13,000 miembros profesionales y estudiantes en todos los continentes.

El Premio Morris Cohen se estableció en 2012 en reconocimiento al legado del Prof. Morris Cohen (1911-2005), un metalúrgico estadounidense que desarrolló su carrera científica en el Instituto Tecnológico de Massachusetts.

El Prof. Cohen fue uno de los metalúrgicos más importantes del siglo pasado y sus contribuciones a los mecanismos y cinéticas de la transformación martensítica, los mecanismos de fortalecimiento y la solidificación rápida de aleaciones fueron hitos importantes en el emergente campo de la ciencia de materiales.

Además, fue una figura principal en el nuevo campo de la ciencia e ingeniería de materiales y co-presidió el Comité de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos sobre la Encuesta de Ciencia e Ingeniería de Materiales, que produjo el estudio de 1974 Materiales y Necesidades del Hombre: Ciencia e Ingeniería de Materiales.

Ese informe, más conocido como el informe Cohen, ha cambiado drásticamente la política sobre educación e investigación de materiales en los Estados Unidos y en el resto del mundo.

Los anteriores ganadores del Premio Morris Cohen son científicos internacionalmente reconocidos en metalurgia física, como Mike Ashby (Universidad de Cambridge), Greg Olson (Universidad Northwestern) y Tresa Pollock (Universidad de California en Santa Bárbara), entre otros.

Fuente: IMDEA Materiales

Cambio de paradigma en la fabricación y mantenimiento de piezas de estructuras de aviones

Los investigadores involucrados en el proyecto DOMMINIO están cada vez más cerca de lograr su objetivo de crear un nuevo método digital para la fabricación mejorada de piezas multifuncionales de estructuras de aviones de próxima generación.

Así lo afirmó el coordinador de DOMMINIO, el Dr. Pablo Romero del Centro Tecnológico AIMEN, quien habló en la penúltima Asamblea General del proyecto que tuvo lugar en el Instituto IMDEA Materiales los pasados 30-31 de enero.

DOMMINIO , un proyecto europeo financiado por el programa de investigación e innovación Horizon 2020, involucra a 13 organizaciones de toda Europa, incluido IMDEA Materiales.

El proyecto finalizará oficialmente en junio de 2024 después de un intenso esfuerzo de investigación de 3.5 años para desarrollar una metodología innovadora y basada en datos para diseñar, fabricar, mantener y pre-certificar componentes para la industria de la aviación.

Destacando el hecho de que muchos de los principales demostradores del proyecto ya han sido fabricados, el Dr. Romero dijo que la reunión había sido muy productiva para establecer cómo sería el último tramo del proyecto.

«Nuestro principal objetivo entre ahora y el final del proyecto será finalizar la fabricación de los demos, probarlos y recopilar la información que necesitamos sobre qué tan buenas son las estructuras termoplásticas en comparación con las termoestables», dijo.

«Esto se relaciona con la misión clave del proyecto, que es proponer nuevas metodologías para el mantenimiento, reparación y revisión de estos componentes críticos».

«Estas nuevas metodologías, que tienen en cuenta que las estructuras serán inteligentes y podrán detectar su propia salud estructural, representan un cambio de paradigma desde el mantenimiento preventivo hasta el mantenimiento basado en condiciones».

El mantenimiento basado en condiciones es una metodología de mantenimiento de equipos que utiliza datos recopilados en tiempo real durante la monitorización del componente y que se lleva a cabo en el momento exacto en que se necesita; antes de que ocurra un fallo crítico.

Tiene la ventaja sobre técnicas de mantenimiento más convencionales en que minimiza el tiempo de inactividad y los desechos, ofreciendo una mayor eficiencia en el mantenimiento y los costes, así como en la sostenibilidad de los procesos.

Durante la Asamblea General, representantes de la mayoría de los miembros del consorcio estuvieron presentes para revisar los tres paquetes de trabajo ya completados del proyecto, y los que siguen en desarrollo.

Esto incluyó a miembros del equipo de AIMEN e IMDEA Materiales, junto con los de BAE Systems, INCAS, la Universidad Técnica Nacional de Atenas, ACITURRI, EASN Technology Innovation Services IRES y Dasel Sistemas.

Se hizo hincapié en la simulación de los procesos de FFF (Fabricación de Filamento Fundido) y AFP (Colocación Automatizada de Fibras), y las nuevas herramientas desarrolladas en relación con estos diseñadas para optimizar el proceso de fabricación.

El papel de IMDEA Materiales dentro del proyecto se ha centrado en la caracterización de la tecnología de sensores y en la interpretación de los datos electrónicos generados.

Esto ha sido llevado a cabo por el grupo de investigación de Materiales Estructurales del instituto, dirigido por el Prof. Carlos González, y el grupo de Nanocomposites Multifuncionales dirigido por el Dr. Juan José Vilatela.

Los doctores Davide Mocerino, Anastasia Mikhalchan y el investigador predoctoral Moisés Zarzoso son tres de los miembros del equipo de IMDEA Materiales más activamente involucrados en el proyecto.

Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención n.º 101007022.

Prometedor estudio reduce el riesgo de las infecciones bacterianas y virales causadas por los sistemas de filtración de aire

Un novedoso proceso de recubrimiento con nanopartículas ha demostrado eliminar prácticamente el crecimiento de algunas de las bacterias más peligrosas del mundo en sistemas de filtración de aire. Esto reduce significativamente el riesgo de infecciones bacterianas y virales transmitidas por el aire.

Esa es la principal conclusión de un estudio recientemente publicado, liderado por investigadores del Instituto IMDEA Materiales en colaboración con científicos del Centro de Investigación Biomédica en Red de Enfermedades Respiratorias (CIBERES) y la Universidad Rey Juan Carlos (URJC) en Madrid.

El estudio, Control de agentes microbianos mediante la funcionalización de filtros de aire comerciales con partículas de óxido metálico, probó varios recubrimientos en aerosol de óxidos de plata (Ag2O), cobre (CuO) y zinc (ZnO) como filtros antivirales y antibacterianos de bajo costo cuando se aplican a sistemas de filtración de aire disponibles comercialmente.

En su resultado más prometedor, los autores encontraron que tanto los compuestos de Ag2O como CuO mostraron una actividad antiviral total (superior al 99%), y el extracto del filtro de Ag2O también demostró una prevención completa del crecimiento bacteriano específico durante el período de incubación de 24 horas medido por el estudio.

Los hallazgos del estudio podrían resultar relevantes para prevenir la propagación de una amplia variedad de infecciones respiratorias. Sin embargo, los investigadores se centraron específicamente en las propiedades antimicrobianas de las partículas de óxido metálico contra dos patógenos respiratorios específicos: Streptococcus pneumoniae y Pseudomonas aeruginosa.

El estudio se llevó a cabo en colaboración con el fabricante español de filtros de aire Venfilter, que suministró cinco filtros disponibles comercialmente para su prueba.

La filtración de aire es uno de los métodos más comúnmente utilizados para garantizar la calidad del aire interior. Su eficacia ha sido bien establecida para capturar patógenos transmitidos por el aire y garantizar una esterilidad adecuada del aire en entornos controlados.

Sin embargo, después de un uso a largo plazo, microorganismos perjudiciales para la salud humana, como esporas de hongos y bacterias, pueden acumularse e incluso prosperar dentro de filtros no tratados.

Durante las últimas dos décadas, se han detectado varias especies de esporas bacterianas en tales ambientes, incluidas Propionibacterium, Staphylococcus y Legionella. También se han identificado diversas especies de hongos perjudiciales, como Aspergillus, Penicillium y Cladosporium.

Después de un extenso período de preparación, los polvos de óxido utilizados en el estudio se rociaron directamente sobre las superficies de los filtros, que luego se caracterizaron y evaluaron biológicamente.

En los últimos años, las nanopartículas de óxido metálico han mostrado resultados positivos al inhibir el crecimiento bacteriano y desafiar la resistencia antibacteriana. Los buenos resultados de este estudio animan a realizar más investigaciones sobre el tema para aprender más sobre los mecanismos entre las partículas y los microorganismos.

No solo se probaron los óxidos por su eficacia antibacteriana y antiviral, sino que también se demostró que su proceso de aplicación en aerosol no tiene efectos negativos en la eficiencia de filtración ni en la microestructura subyacente del filtro mismo.

Aunque los resultados iniciales del estudio son extremadamente prometedores, se necesitarán pruebas adicionales para confirmar y evaluar los hallazgos.

Fuente: IMDEA Materiales

 

Una propuesta imaginativa para reciclar toda la basura electrónica del mundo

Aunque las cantidades de metales preciosos como el oro en la basura electrónica son muy pequeñas (del orden de 300 gramos por tonelada), para conseguir un kilo de oro bastan entre tres y cuatro toneladas de smartphones, frente a las 200 toneladas que requiere tratar un mineral de oro (normalmente con leyes de partes por millón). Parece que merece la pena reciclar toda la basura del mundo, ¿no?

Sin embargo, de las 53,6 millones de toneladas de residuos electrónicos que se generaron en 2019 (para 2030 se esperan 77,4 t) solo se recicló el 17,4 %. El resto se abandona, y nos ahoga.

Tenemos una propuesta imaginativa para reciclar y utilizar de forma rentable el conjunto de metales de la basura electrónica. No es un disparate ni un delirio, es atar cabos con el conocimiento científico que tenemos, y apostar por revolucionar el futuro desde hoy.

El tesoro enterrado en la basura electrónica

Entre el 30 y el 32 % en peso de la basura electrónica son metales. Resulta que tenemos a mano un gran supermercado de metales, incluyendo las preciadas tierras raras.

El conjunto de metales que contienen muchos tipos de basura podríamos decir que son superaleaciones base cobre, niquel o hierro. Y en muchas hay metales muy apreciados como el aluminio, el litio, el cobalto y el silicio, sin olvidar las mencionadas tierras raras y el oro.

La siguiente tabla muestra el porcentaje de metales en distintos aparatos electrónicos. Por hacernos una idea de lo que se pierde cuando enterramos nuestra CPU, el móvil o una batería de litio.

En un continente como Europa, donde tenemos una regulación de metales críticos y estratégicos tan severa, e importamos la mayoría de los que consumimos de países africanos, Sudamérica, China o Rusia, ¿cómo es posible que no aprovechemos al máximo esta mina que tenemos en la basura electrónica?

Solo interesa el cobre, el aluminio, el níquel y el oro

La respuesta está en que las empresas interesadas en el reciclaje de la basura electrónica focalizan su actividad en la recuperación de los metales más preciados. Es decir, hacen una recuperación selectiva: solo recuperan cobre, níquel, aluminio y, por supuesto, oro, despreciando el resto.

Si quisiéramos reciclar el resto de los metales, habría que ir uno por uno también mediante reciclado selectivo, algo que es caro y complejo. Y normalmente no compensa el coste.

Eso sin contar que los procesos de extracción, normalmente por lixiviación, no son medioambientalmente muy amigables.

Un proceso típico de recuperación de basura electrónica (por ejemplo, de circuitos impresos) conlleva, una vez separada la parte metálica, una operación para separar el hierro (por separación magnética), una lixiviación para separar el cobre, otra más para los metales preciosos y en el mejor de los casos, una más para el níquel. Y el resto de metales minoritarios se desecha.

Por todo esto en el reciclado de la basura electrónica se desaprovecha la práctica totalidad del valor potencial que alberga.

La propuesta imaginativa: todos a la vez

¿Y si los recuperamos todos a la vez?

La separación del conjunto total de metales de una fuente determinada de basura electrónica llevaría consigo una única operación de lixiviación (dos, en el caso de querer separar además algún metal de alto valor como el oro) y se aprovecharía la totalidad de metales presentes en los residuos. De una manera más rápida y barata, recuperaríamos la totalidad de los metales.

Pero ¿por qué no se hace?

La respuesta a día de hoy es: porque el material resultante de un reciclaje conjunto no sirve para nada, o sirve para muy poco. Conseguiríamos una aleación compleja, pero sin una aplicación práctica concreta. Pero eso es solo a día de hoy. Avancemos.

Recientemente hemos publicado un trabajo en Intermetallics que demuestra que, mezclando aleaciones equivalentes a las que se encuentran en la basura electrónica (si se recuperaran en su totalidad) y en las proporciones adecuadas, se pueden fabricar aleaciones de alta entropía de altas prestaciones. Esto… ¿es bueno? Lo es, es muy bueno.

El material del futuro: aleaciones de alta entropía

Los materiales resultantes, las aleaciones de alta entropía, pueden competir con las mejores aleaciones ya conocidas en ámbitos como la alta temperatura, las propiedades magnéticas, el almacenamiento de hidrógeno, etc. Se perfilan como el material del futuro, y se están invirtiendo cuantiosos fondos en investigarlas.

Pueden suponer un salto cuantitativo importante en muy distintas aplicaciones (desde magnéticas hasta estructurales), pero el uso excesivo de metales críticos y estratégicos para desarrollarlas está frenando su implantación industrial. Con el desarrollo de esta idea, tendríamos un doble éxito: reciclaríamos toda la basura electrónica e impulsaríamos las prometedoras aleaciones de alta entropía.

La cuadratura del círculo

No sin la industria.

Haría falta generar un mercado que pudiera consumir las aleaciones extraídas de la basura electrónica, con todos sus elementos a la vez. Esto implicaría, además, que el reciclado sería más rentable, ya que una extracción total de todos los metales es más sencilla y barata que la recuperación selectiva de uno o varios metales.

Es muy difícil que un fabricante de productos en serie pueda comprometerse con una aleación que requiere de uno o varios metales de los que no puede garantizar el suministro permanente. Sin embargo, usando la basura electrónica como fuente, habríamos resuelto este problema.

Por un lado, resolvemos un problema de escala mundial mediante un proceso de reciclado más barato y eficiente y, por otro, empujamos el desarrollo de aleaciones de muy altas prestaciones (las aleaciones de alta entropía) sin la necesidad de depender del suministro de metales críticos o estratégicos: la cuadratura del círculo.

José Manuel Torralba, Catedrático de la Universidad Carlos III de Madrid, IMDEA MATERIALESAlberto Meza, Investigador postdoctoral, IMDEA y Damien Tourret, Researcher in Materials Science & Engineering, IMDEA

Fuente: IMDEA Materiales

Hacia un cielo más limpio: el Instituto IMDEA Materiales aborda el gran dilema del reciclaje en la industria aeronáutica

  • Actualmente, casi el 98% de los polímeros reforzados con fibras de carbono (FRP) al final de su vida útil terminan en vertederos, presentando un cuello de botella crítico para la sostenibilidad en las industrias aeronáutica y aeroespacial.
  • Los investigadores del Instituto IMDEA Materiales en TecnoGetafe buscan demostrar el potencial de los sólidos celulares termoplásticos de alto rendimiento (HPTCs) para reemplazar a los FRP en la cadena de producción.

En los últimos años, los fabricantes han recurrido cada vez más a polímeros ligeros o polímeros reforzados con fibra para reemplazar los componentes metálicos tradicionales.

Esto es particularmente evidente en la industria aeroespacial, donde estudios han demostrado que al menos el 30-40% de las aeronaves están construidos ahora con materiales compuestos de polímero, una cifra que sigue aumentando.

La idea de que los pasajeros vuelen alrededor del mundo en ‘aviones de plástico’ quizás no sea tan descabellada como podría parecer al principio. La motivación detrás de esta evolución en la fabricación es simple: los polímeros hacen que las aeronaves sean más ligeras y, por lo tanto, más eficientes en el consumo de combustible.

Sin embargo, aunque se considera que la mejora en la eficiencia del combustible es clave para desarrollar una industria aérea más ecológica, el uso de polímeros reforzados con fibras (FRP) no está exento de inconvenientes. El principal de ellos es que los FRP son inherentemente insostenibles debido a la dificultad de su reciclaje.

«Por lo general, cuando necesitas un material multifuncional, por ejemplo, un componente que no solo soporte carga, sino que también actúe como aislante, la forma más directa de lograrlo es superponer diferentes materiales con propiedades distintas y unirlos», explica la Dra. Lucía Doyle del Instituto IMDEA Materiales.

«Estos tipos de FRP en forma de estructuras monolíticas y tipo sándwich se utilizan ampliamente en aplicaciones aeroespaciales impulsadas por la ligereza».

«El problema es que los materiales en capas presentan enormes complicaciones cuando se trata de reciclar, ya que a menudo constan de diferentes tipos de polímeros y/o tienen materiales adicionales como adhesivos, resinas o recubrimientos que pueden hacer que su reciclaje sea extremadamente difícil, si no imposible».

«Para dar un ejemplo más concreto, casi el 98% de los FRP al final de su vida útil terminan en vertederos, por lo que hay una necesidad urgente de desarrollar materiales de ingeniería de alto rendimiento basados en criterios de ingeniería verde», agrega.

Con el fin de ayudar a resolver este dilema, donde las emisiones de carbono disminuyen, pero a costa de un aumento en los desechos plásticos, la Dra. Doyle se embarcó recientemente en el proyecto HipPEEK.

HipPEEK, financiado por el Programa de Becas Postdoctorales MSCA Horizon Europe 2022 de la Unión Europea (GA. no. 1010106955), tiene como objetivo desarrollar una nueva técnica de procesamiento para sólidos celulares termoplásticos (HPTCs) de alto rendimiento impresos en 3D.

Específicamente, el proyecto se centrará en el poli(éter-éter-cetona), más conocido como PEEK por sus siglas en inglés, un termoplástico de ingeniería de alto rendimiento con una alta relación resistencia-peso.

Se considera que el PEEK es un candidato ideal para reemplazar metales en diversas aplicaciones, no solo en la industria aeroespacial y aeronáutica, sino también en las industrias automotriz, médica y dental, que también pueden beneficiarse de las estructuras celulares desarrolladas en el proyecto.

El material será diseñado y producido mediante una combinación avanzada de técnicas de espumado físico e impresión 3D.

En efecto, la combinación de espumado físico, respetuoso con el medio ambiente mediante el uso de gases inertes, con la producción de andamios tridimensionales a través de una eficiente impresión 3D, permitirá la producción de estructuras jerárquicas controladas a nivel micro y mesoescalar, junto con una topología optimizada a nivel macroscópico.

Esencialmente, esto ofrecerá a los investigadores la posibilidad de adaptar las propiedades dentro del material mediante la modificación de su microestructura.

«La idea realmente es descubrir hasta dónde podemos llegar en la adaptación del PEEK para ofrecer propiedades multifuncionales, sin necesidad de mezclarlo o superponerlo con otros materiales», dice la Dra. Doyle. «Podemos hacer esto manipulando su microestructura.»

«Si observamos las estructuras de carga en la naturaleza, como los huesos, son típicamente celulares, y siempre hay gradientes a nivel celular que permiten una optimización las propiedades de resistencia, tenacidad, peso, transporte de fluídos, etc.

«En el proyecto desarrollaremos estructuras celulares con dos niveles de porosidad, maximizando así la reducción del peso mientras que mantenemos las propiedades de la pieza.”

Y no es solo la presencia de tales materiales multifuncionales en la naturaleza que sirve de inspiración para la investigadora de Acciones Marie-Skłodowska Curie (MSCA) y graduada de la Universidad Autónoma de Madrid.

La Dra. Doyle también es una firme seguidora de los conceptos de Cuna a Cuna y Diseño Seguro y Sostenible (SSbD por sus siglas en inglés), donde los productos o procesos de fabricación están diseñados para reflejar sistemas naturales.

«En la naturaleza, no hay desperdicio», dice la Dra. Doyle. «El desperdicio es un concepto humano; ningún otro organismo produce desperdicio, porque todo lo que se produce se reutiliza en su ecosistema».

«Esa es toda la filosofía detrás de estos conceptos, y detrás del proyecto HipPEEK. Desarrollar técnicas de procesamiento que den como resultado, materiales que puedan ser infinitamente reutilizados y reciclados, de una manera análoga a lo que vemos en la naturaleza».

Fuente: IMDEA Materiales

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Desarrollan una nueva técnica experimental para analizar la protección de estructuras metálicas impresas en 3D

Científicos de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) y del Instituto IMDEA Materiales de TecnoGetafe, han desarrollado una nueva técnica experimental en ensayos de fragmentación para evaluar la capacidad de absorción de energía frente a impacto de estructuras metálicas fabricadas mediante impresión 3D.

Esta técnica, más flexible, sencilla y rápida que otras utilizadas en la actualidad, permite comprobar el rendimiento mecánico de estos materiales como estructuras de protección.

Las principales aplicaciones de esta investigación están relacionadas con los sectores de la aeronáutica, la ingeniería aeroespacial y la seguridad e ingeniería civil, ámbitos en los que resulta esencial el desarrollo de nuevos materiales que permitan construir estructuras de protección ligeras, portátiles y que puedan ser reparadas en servicio, y que a su vez muestren capacidad para absorber energía frente a un impacto.

Por ejemplo, frente a la colisión de un pájaro con una aeronave, en choques accidentales entre vehículos automóviles o en explosiones que puedan ocurrir en ataques a edificios gubernamentales e infraestructuras críticas, como las centrales nucleares, indican los investigadores.

“La idea es poder fabricar estructuras de protección con impresión 3D para reducir su coste, minimizar residuos, personalizar su diseño y deslocalizar su fabricación, dado que se podría realizar in-situ, lo que sería una gran ventaja sobre todo para aplicaciones aeroespaciales y de defensa”, explica Juan Carlos Nieto Fuentes, investigador Marie Curie CONEX-Plus (GA 801538) del Dpto. de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la UC3M, que ha publicado recientemente este trabajo en el Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

“El artículo presenta una nueva técnica experimental puesta en marcha en el Laboratorio de Impacto de la UC3M donde realizamos ensayos de fragmentación a velocidades de impacto de hasta 400 metros por segundo”, explica otro de los autores, José Antonio Rodríguez Martínez, profesor titular del mismo departamento de la UC3M e Investigador Visitante de IMDEA Materiales, y que ha desarrollado esta investigación en el marco de PURPOSE, un proyecto ERC Starting Grant (GA 758056) de la Unión Europea.

Los investigadores han filmado estos ensayos con dos cámaras de alta velocidad y también han realizado tomografías de rayos X de las estructuras del material impreso, antes y después de ser ensayadas, con la colaboración de colegas del Instituto IMDEA Materiales, que han realizado la caracterización microestructural de las muestras.

“En concreto, hemos determinado la distribución en forma y tamaño de los poros resultantes del proceso de impresión y hemos investigado su efecto en la formación y propagación de grietas, y de esta manera en la capacidad de absorción de energía de la estructura”, indica el investigador Federico Sket, de IMDEA Materiales, que ha participado en este estudio desde este instituto de investigación junto a su colega Jonathan Espinoza, personal de apoyo al investigador.

Los experimentos de fragmentación se llevaron a cabo en el Laboratorio de Impacto de la UC3M utilizando un cañón de gas impulsado por helio. En concreto, los investigadores lanzaron un proyectil circular de punta cónica de unos 150 gramos de peso que impactó en un tubo de pared delgada a velocidades que oscilan entre los 200 y los 400 metros por segundo (entre 720 y 1.440 km/h).

En este caso, el diámetro del proyectil es mayor que el diámetro del tubo, que se expande radialmente a medida que el proyectil avanza, hasta que se forman múltiples fracturas que dan lugar a la fragmentación de la muestra.

“La técnica es más sencilla, rápida de utilizar, flexible y tiene un coste de operación menor que los sistemas que utilizan explosivos o sistemas electromagnéticos. Nuestro dispositivo, además, permite realizar más experimentos en menos tiempo y así obtener un número de ensayos que proporcione resultados estadísticamente significativos”, explican Sergio Puerta y David Pedroche, técnicos de Laboratorio del Dpto. de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la UC3M, quienes han participado en la realización de los experimentos.

Los investigadores indican que se trata de una metodología pionera y esperan sentar las bases de un protocolo que permita determinar de manera sistemática si una estructura impresa es apta para absorber energía frente a impacto, en función de la caracterización de su microestructura porosa y su correlación con los mecanismos de fragmentación.

“Esta técnica nos dirá, en definitiva, si la impresión 3D de metales es una técnica viable para construir estructuras de protección”, señala José Antonio Rodríguez Martínez. “En EEUU ya existen programas específicos impulsados por el Departamento de Defensa y el Departamento de Energía para financiar esta línea de investigación, así que esperamos que la Unión Europea y el Gobierno de España desarrolle también visión a largo plazo que permita llevar la investigación fundamental que realizamos a la práctica ingenieril”, concluye.

Fuente: IMDEA Materiales