Fuerza mecánica con solo pulsar un botón
Las suprapartículas activables magnéticamente transforman el calor en trabajo y pueden levantar 25 000 veces su propio peso
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Las nanopartículas magnéticas pueden calentarse sin contacto. Investigadores de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Núremberg (FAU), en colaboración con investigadores de la Universidad de Helsinki, aprovechan ahora este efecto para generar fuerzas mecánicas: Las superpartículas, de tamaño micrométrico, transforman el calor generado por un campo magnético variable en presión de gas y expansión volumétrica. Con tan solo 20 miligramos de este material se puede levantar una masa de 500 gramos.
El calor se convierte en trabajo mecánico
Las nanopartículas magnéticas pueden convertir de forma eficiente la energía electromagnética en calor. Cuando se exponen a un campo alterno de alta frecuencia, su temperatura aumenta considerablemente en muy poco tiempo. Este principio de calentamiento inductivo se está estudiando para el tratamiento térmico sin contacto de materiales.
El equipo dirigido por Karl Mandel, de la Cátedra de Química de Materiales Basados en Partículas, sigue un enfoque diferente: las nanopartículas magnéticas se combinan con un segundo componente que reacciona al calor generado mediante una expansión. Mediante secado por pulverización se obtienen a partir de ellas suprapartículas de tamaño micrométrico, en las que la fuente de calor y el componente funcional están directamente conectados entre sí.
Cuando se aplica un campo magnético alterno, las nanopartículas se calientan. El calor generado localmente desencadena entonces una rápida formación de gas o evaporación en el interior de las suprapartículas. La presión resultante provoca la expansión y puede realizar trabajo mecánico.
Dos mecanismos diferentes
Los investigadores desarrollaron dos sistemas para ello.
En el primer sistema se utiliza azodicarbonamida (ADCA). Este material actúa como propulsor químico y, al calentarse, se descompone generando gas rápidamente. Dado que el calor es generado directamente por las nanopartículas magnéticas adyacentes, puede generarse una gran cantidad de gas en menos de un segundo. La presión provoca la ruptura de la estructura de las superpartículas.
El segundo sistema se basa en un polímero superabsorbente de poli(acrilamida-co-ácido acrílico). Este polímero absorbe agua en un primer momento. Tras un secado posterior, una parte del agua permanece firmemente ligada a la estructura del polímero. Al calentarse por inducción, se evapora. Dado que, en un primer momento, el vapor de agua no puede escapar del polímero con la suficiente rapidez, la presión interna aumenta y el material se expande considerablemente.
De este modo, ambos sistemas muestran reacciones diferentes ante el mismo estímulo externo: mientras que el sistema ADCA libera sobre todo grandes cantidades de gas rápidamente, el sistema superabsorbente provoca una notable expansión macroscópica del volumen.
20 miligramos levantan 500 gramos
Los investigadores demostraron la magnitud de las fuerzas resultantes mediante un sencillo experimento de elevación. 20 miligramos de superpartículas fueron capaces de levantar una masa de 500 gramos, lo que equivale a 25 000 veces la masa del material utilizado.
Activación a distancia
Una ventaja fundamental del sistema es la activación sin contacto. Las suprapartículas no necesitan ni una conexión eléctrica ni una fuente de calor directa. Basta con un campo magnético alterno externo para desencadenar la expansión.
En este proceso, no solo es importante la temperatura alcanzada. También es decisivo la rapidez con la que las nanopartículas magnéticas generan el calor. Solo si el calor se genera con la suficiente rapidez, puede acumularse una presión suficiente en el interior de las superpartículas antes de que se pierda gas o calor hacia el entorno. Por el contrario, un calentamiento lento o uniforme, por ejemplo en un horno, no provoca la misma reacción.
Los investigadores también pudieron demostrar que la temperatura máxima puede modificarse en función de la elección de las nanopartículas magnéticas. Así, por ejemplo, además de nanopartículas con una velocidad de calentamiento máxima, también pueden utilizarse nanopartículas de ferrita de zinc-cobalto, cuya temperatura de Curie más baja limita la temperatura máxima alcanzable. De este modo, la activación puede llevarse a cabo de forma más controlada y evitarse daños en el entorno.
La resina epoxi se puede romper de forma selectiva
Este concepto resulta especialmente interesante para materiales que, por lo general, son difíciles de separar. Por ello, los investigadores integraron las suprapartículas en una matriz de resina epoxi.
Las resinas epoxi forman, al endurecerse, estructuras reticuladas permanentes que no se pueden disolver ni deformar fácilmente. Sin embargo, si las suprapartículas incrustadas se someten a un campo magnético alterno, generan localmente presión de gas o expansión volumétrica. Las tensiones mecánicas resultantes pueden romper la resina epoxi. En los experimentos, el compuesto se rompió en un máximo de diez segundos.
De este modo, las suprapartículas activables magnéticamente podrían resultar interesantes en el futuro, por ejemplo, para el «desunido bajo demanda», el desmontaje de materiales compuestos o la liberación selectiva de componentes individuales. Especialmente en el caso de materiales con estructuras reticuladas de forma permanente, esta activación mecánica, provocada de forma local y sin contacto, podría abrir nuevas posibilidades.
Actuadores microscópicos para materiales adaptativos
El trabajo presenta, por tanto, un nuevo enfoque para utilizar las nanopartículas magnéticas no solo como fuentes de calor, sino también como componentes de actuadores microscópicos. Un campo magnético externo desencadena una cadena de procesos: las nanopartículas generan calor, este activa una expansión química o física, y la presión resultante se transforma en trabajo mecánico.
La combinación de activación sin contacto, reacción rápida y elevada fuerza en relación con la masa del material podría resultar interesante en el futuro para materiales adaptativos, compuestos conmutables y actuadores microscópicos. Los investigadores ven, en particular, potencial para sistemas en los que se deban activar funciones mecánicas sin cables y sin acceso directo al material.
El estudio «Inductively Expandable Supraparticles as Microscopic Force Generators for Remote Mechanical Actuation», de Leoni Luthardt, Stephan Müssig, Robert Luxenhofer y Karl Mandel, se ha publicado en la revista especializada Advanced Materials.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.
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