Investigadores de la UVa han identificado el papel del CO2 en la mejora de las propiedades mecánicas de los polímeros nanocelulares. El estudio ha sido publicado recientemente en en la revista científica Advanced Materials, la investigación argumenta que que el proceso de saturación con dióxido de carbobo (CO2), es un elemento clave para elaborar las espumas y modificar de manera duradera el estado termodinámico de la matriz del polímero. Es decir: el polímero que se ha estudiado, la polieterimida (PEI), cambia su comportamiento, independientemente de los poros, antes la saturación con CO2 a determinadas condiciones tanto de presión como de temperatura.

A lo largo de los años, la ciencia ha sostenido que las propiedades mecánicas de las espumas nanocelulares dependían principalmente de los millones de poros microscópicos que albergan en su interior. No obstante, el estudio elaborado por el laboratorio CellMat de la Universidad de Valladolid junto al grupo SMAP dirigido por el investigador de la UVa Alberto Tena con la colaboración de profesores de las universidades de Helsinki y Eindhoven, aporta evidencias que cuestionan esta explicación al demostrar que el gas utilizado para fabricar esas burbujas, CO2, cambia de forma duradera.

"Toda la literatura científica, hasta ahora, sostenía que cuando el tamaño de las burbujas que hay en la espuma baja a la escala nanométrica, las propiedades mecánicas del material cambian. Lo único que se tenía en cuenta para las propiedades finales mecánicas eran los poros. Sin embargo, nuestro estudio desmiente eso, demostrando que no solo los nanoporos tienen importancia, sino que el estado del polímero es muy importante. Y que ese estado del polímero lo estamos cambiando cuando hacemos el proceso para generar la espuma", contextualizó Judith Martín de León, investigadora de la UVa y coautora del estudio.

Para certificar esta hipótesis, los investigadores decidieron aislar el efecto del gas, según explica Félix Lizalde, primer autor del paper: "Hasta ahora, nadie se había parado a estudiar el efecto del gas durante el proceso de fabricación porque pasaba desapercibido y se camuflaba con el resto de las propiedades de la espuma. Ahí nosotros nos dimos cuenta de que el proceso también influye y tiene un papel muy importante".

El experimento desarrollado por el equipo investigador, dentro de la tesis doctoral de Lizalde, consistió en exponer muestras de polieterimida sólida a distintas cantidades de CO₂, pero sin completar después el proceso de espumado necesario para generar los poros. Una vez finalizada la exposición, los investigadores dejaron que el gas se liberara por completo del material. Tras 24 horas a temperatura ambiente comprobaron que el CO₂ había desaparecido, no se habían formado nanoporos y, sin embargo, las propiedades mecánicas del polímero habían cambiado. Los resultados apuntan así a que el CO₂ no funciona únicamente como un elemento temporal durante la fabricación de los nanoporos, sino que también altera la estructura interna de la matriz polimérica.

La polieterimida tratada con CO₂ mantiene esos cambios incluso después de liberar todo el gas: reduce su límite elástico, aumenta su ductilidad y mejora su capacidad para soportar impactos. El efecto resulta especialmente significativo cuando la cantidad de CO₂ absorbida supera aproximadamente el 10 % del peso del material. En ese punto, disminuye la tensión necesaria para comenzar a deformarlo y aumenta su capacidad para soportar deformaciones antes de romperse.

Martín de León lo explica de forma gráfica: mientras el polímero sin tratar es frágil y puede romperse en múltiples fragmentos ante un golpe, el material tratado con CO₂ se deforma y absorbe parte de la energía del impacto sin llegar a fracturarse. Esta capacidad para absorber grandes cantidades de energía antes de la rotura es especialmente valorada en sectores como la industria automovilística y la aeronáutica, donde se emplean materiales capaces de ofrecer mayor seguridad en componentes estructurales.

A partir de este descubrimiento, que abre una nueva vía en el estudio de los materiales poliméricos, los investigadores ya analizan si el mismo efecto puede reproducirse en otros polímeros amorfos de uso más habitual, como el polimetilmetacrilato (PMMA). Lizalde señala que los primeros resultados apuntan a que sí sería posible trasladar estas conclusiones a otros materiales y subraya que el efecto del CO₂ sobre el interior de los polímeros no se había tenido en cuenta hasta ahora. Además, destaca que el hallazgo podría tener aplicaciones que van más allá de la fabricación de espumas, ya que el tratamiento con CO₂ permite modificar las propiedades internas del polímero incluso después de que el gas haya desaparecido.