07.07.2021 - Technische Universität Wien

El rompecabezas del betún

La combinación de métodos proporciona nueva información

Aunque la historia del betún se remonta al tercer milenio antes de Cristo, se sabe muy poco sobre la estructura de su superficie. Los investigadores de la Universidad Técnica de Viena están arrojando luz sobre la naturaleza de la superficie del betún mediante análisis fisicoquímicos.

Mientras que la microscopía de fuerza atómica y la microscopía electrónica de barrido ya han proporcionado información sobre la morfología de las superficies del betún en el pasado, durante mucho tiempo no se sabía si la superficie y la composición química se correlacionaban entre sí. Sin embargo, la composición química de la superficie es de especial interés porque en ella tienen lugar procesos de oxidación desencadenados por moléculas que contienen oxígeno en el aire, como el ozono, los óxidos de nitrógeno o los radicales hidroxilos. El proceso de oxidación acelera el envejecimiento del material: el betún se vuelve poroso y se producen daños.

Por ello, los químicos de materiales, la Dra. Ayse Koyun y el profesor Hinrich Grothe, de la Universidad Técnica de Viena, examinaron la superficie del betún utilizando varios métodos de análisis físico-químicos y compararon los respectivos resultados entre sí. Los investigadores publicaron los datos el 29 de junio en la revista Scientific Reports.

Un material diverso

El betún se produce a partir del petróleo y se utiliza principalmente para la producción de asfalto. Su consistencia depende en gran medida de la temperatura: a altas temperaturas es viscoso y los compuestos químicos más grandes, como los alifáticos, las resinas de petróleo y los asfaltenos, se mueven libremente en la masa. Sin embargo, cuando el betún se enfría, el material se solidifica y las moléculas individuales se organizan en patrones característicos. Los análisis ya han demostrado que en la superficie se forman las llamadas partículas core-shell. Se trata de compuestos formados por al menos dos componentes diferentes.

Dado que el asfalto y el betún se utilizan tanto en la construcción de carreteras como en los trabajos de impermeabilización, es deseable que la vida útil del producto sea lo más larga posible. Para ralentizar el envejecimiento del material, hay que minimizar las reacciones provocadas por los gases reactivos, la luz y el calor. "Una vez que comprendamos mejor el comportamiento de la oxidación del betún, podremos buscar las medidas adecuadas para evitar el envejecimiento atmosférico. Esto puede prolongar la vida útil de un producto de betún durante muchos años, ahorrando energía y recursos materiales", explica Koyun. En un estudio publicado en Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, ya ha podido demostrar cómo la composición química del betún afecta a su proceso de envejecimiento.

Una mezcla de métodos proporciona nueva información

En estrecha colaboración con la Universidad de Harvard, la División de Nano-Superficies de Bruker y IONTOF GmbH, Ayse Koyun, primera autora del estudio, investigó la superficie del betún utilizando tres métodos diferentes: la espectroscopia infrarroja a nanoescala basada en la expansión fototérmica (AFM-IR), la espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo (ToF-SIMS) y la microscopía de fluorescencia. En combinación, estos métodos proporcionan información valiosa sobre la naturaleza multifásica de la superficie del betún. "La resolución de los métodos de medición convencionales utilizados para estudiar la composición de la superficie es demasiado baja para la caracterización química. Los dominios individuales de la superficie no pueden determinarse de este modo", explica Koyun. "Sin embargo, combinando diferentes métodos fisicoquímicos, conseguimos cartografiar la estructura hasta diez nanómetros". El resultado: la superficie es heterogénea. Los resultados de los métodos microscópicos y espectroscópicos se correlacionan y pueden interpretarse de forma concluyente.

Se crea una imagen completa

"Durante mucho tiempo, el betún fue como un rompecabezas sin resolver para nosotros, los químicos de materiales", dice Hinrich Grothe, jefe del grupo de investigación de Química Física de la Atmósfera. "Conocemos muchos detalles, pero hasta ahora no ha sido posible reunirlos en una imagen completa. Sin embargo, la combinación de varios métodos fisicoquímicos, tal y como los aplicamos, pudo mostrarnos finalmente cómo se distribuyen los conjuntos moleculares individuales en el betún." "Esto nos permitió resolver el rompecabezas y completar nuestros conocimientos sobre el betún", añade Ayse Koyun, que está realizando dos estancias de investigación en la Universidad de Harvard como parte de una beca Marshall y con el apoyo de la TU Wien.

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