Las propiedades de un material pueden verse fuertemente influenciadas por la presencia de porosidad en su estructura interna o en su superficie, condicionando finalmente su aplicación. Uno de los ejemplos más significativos se puede dar en los sistemas de liberación de fármacos, donde la porosidad del vector influye de forma determinante en su capacidad de carga, definiendo casi por completo su aplicación final. Otro campo donde la porosidad juega un papel decisivo es en la construcción, ya que la porosidad del material va a definir su resistencia en condiciones adversas. En el blog de hoy os contamos todos los secretos de la porosidad y cómo analizarla. ¡No te lo pierdas!

¿Qué es la porosidad de un material?

La porosidad es la fracción volumétrica de poros del material. Estos poros pueden situarse en su  superficie o en su estructura interna. La porosidad está asociada con la densidad del material, y con la naturaleza de sus compuestos y la existencia de espacios vacíos entre ellos.

Tipos de porosidad

Los poros presentan diferentes propiedades entre ellos. Las más importantes son su forma y tamaño, su localización, su conectividad y sus propiedades químicas relacionadas con la superficie.

  • Tamaño: La propiedad principal que define un poro es su tamaño, es decir, su dimensión espacial. Por lo tanto, debido a su fácil análisis, el tamaño de poro suele ser la principal herramienta para caracterizar un material poroso. El tamaño de poro tiene una gran influencia en las propiedades de un material poroso y, como consecuencia, en su aplicabilidad final. Cuanto mayor sea el tamaño de poro, partículas de mayor tamaño podrán pasar a través de ellos, aumentando la reactividad del material. El tamaño de poro de un material suele referirse como la distribución de poros del mismo, y según la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) se puede clasificar de la siguiente manera:
      • Microporos: tienen un tamaño inferior a 2 nanómetros.
      • Mesoporos: tienen un tamaño de poros comprendido entre 2 y 50 nanómetros.
      • Macroporos: tienen un tamaño mayor a 50 nanómetros.  

 

  • Localización: los poros pueden encontrarse en la superficie del material o en su estructura interna. Esta propiedad esta fuertemente ligada a la propiedad de conectividad, ya que hay materiales porosos cuya distribución de poros esta aislada, mientras que hay otros materiales que presentan poros conectados formando un entramado más o menos tortuoso. La conectividad puede ser parcial, ya que solo se da entre los poros de la estructura interna del material, o completa, donde los poros de la estructura interna esta conectada a los poros de la superficie.
  • Propiedades químicas: implican la reactividad que puede ofrecer el material en diferentes condiciones ambientales. Si la distribución de poros esta interconectada, el material puede mostrar una fuerte degradación en condiciones adversas. Sin embargo, si los poros son aislados, los materiales pueden experimentar degradación puntual o incluso no degradarse.

Influencia de la porosidad de un material

La porosidad de un material es determinante a la hora de evaluar su durabilidad y resistencia frente a condiciones adversas. La distribución de poros y sus características define la permeabilidad del material, es decir, su capacidad para almacenar fluidos, condicionando así sus propiedades físicas y químicas. Para entender cómo puede influir la porosidad en un material, vamos a estudiar dos casos concretos, donde veremos que la porosidad puede aportar ventajas y desventajas a nuestro material.

  • Uno de los casos más representativos donde la porosidad aporta factores positivos a la aplicabilidad de un material es el caso de los sistemas de liberación controlada de fármacos. En este caso, el objetivo del desarrollo de sistemas de liberación controlada de fármacos es poder tener el dominio de la liberación de un fármaco a lo largo del tiempo. Cuando el vector de liberación es poroso, la capacidad de carga es mayor que la que presentan un vector no poroso, ya que la estructura interna porosa presenta depósitos accesibles para el fármaco. Por lo tanto, en este caso la porosidad ofrece la ventaja de aumentar la capacidad de carga del vector, permitiendo así una liberación del fármaco más sostenida en el tiempo.
  • Un caso totalmente opuesto al anterior, donde la porosidad sale en escena como un defecto del material, es en el caso de los . Cuando un metal posee poros en su superficie y se encuentra en condiciones corrosivas, puede darse una corrosión superficial e interna del mismo, dando lugar a picaduras o liberación de iones del metal. En numerosas ocasiones, los metales susceptibles de corrosión en condiciones de trabajo, se protegen con capas de metales nobles que sirven de barrera frente a condiciones ambientales adversas. Sin embargo, se han encontrado muchos casos donde la barrera que proporciona el metal noble es ineficaz. Esto se debe a que la porosidad de esta barrera protectora ha permitido la entrada de agentes corrosivos y su contacto con el metal que queremos proteger, dándose la corrosión del mismo en forma de defectos superficiales.

Técnicas para analizar la porosidad

Como hemos podido observar, los parámetros que caracterizan la porosidad de un material están relacionados con sus propiedades estructurales. Por lo tanto, las técnicas de análisis que nos permiten evaluar la porosidad de un material son aquellas que nos permiten estudiar su superficie, la distribución de capas de su estructura o la permeabilidad frente a diferentes elementos. A continuación, veremos las técnicas más importantes:

  • Técnicas de microscopía: nos ofrecen información de la superficie de los materiales con alta resolución, pudiendo distinguir detalles superficiales del orden de nanómetros. Las más utilizadas son:
      • SEM y TEM: ambas técnicas nos permiten observar la superficie de una muestra mediante la interacción de un haz de electrones. Además, nos permiten realizar el análisis de la composición de las superficies.
      • FIB-SEM: esta técnica es de gran utilidad, ya que el haz de iones genera una apertura precisa en la superficie de la muestra, permitiéndonos observar mediante SEM la distribución de capas de su interior.
      • Microscopía confocal, perfilómetro y AFM: estas técnicas son considerada una de las más útiles para el análisis de la porosidad ya que permiten obtener información acerca de la topografía y rugosidad superficial, permitiéndonos obtener perfiles de áreas nanométricas de la superficie del material.
  • Técnicas de adsorción física de un gas: Se inyecta un gas en la muestra (generalmente nitrógeno o dióxido de carbono) a una temperatura constante, determinando mediante métodos gravimétricos o volumétricos, la isoterma de adsorción, es decir la cantidad de gas que ha sido capaz de adsorber el material. Mediante el análisis de la isoterma de adsorción de un material se puede determinar su área superficial y el volumen y la distribución de tamaño de poros. Dependiendo del gas utilizado se puede obtener información de poros de diferentes tamaños. Cuando se utiliza nitrógeno se pueden determinar poros de 3.5 a 400 nanómetros, mientras que el uso de dióxido de carbono nos da información de la microporosidad.
  • Porosimetría de mercurio: esta técnica se basa en la intrusión de mercurio en la estructura porosa de un material mediante la aplicación de presión isostática. La técnica se fundamenta en la ecuación de Washburn. Dicha ecuación relaciona la presión aplicada con el diámetro del poro en el que se introduce el mercurio. La porosimetría de mercurio permite obtener información de poros de tamaño de 900 micras hasta 4 nanómetros de diámetro.
  • Picnometría de Helio. La picnometría de helio es una técnica que permite determinar el peso especifico o la densidad aparente de un material mediante el desplazamiento de volumen. En esta técnica, el gas helio se expande a una celda de volumen conocido, ocupada por la muestra a analizar dentro de esa celda, determinando la densidad aparente del material. Mediante esta medida podemos conocer la porosidad del material.

Parámetros de análisis de la porosidad

Por lo general, la caracterización de la porosidad suele darse en relación de los siguientes parámetros, todos ellos en concordancia con su carácter estructural:

  • Distribución estadística del tamaño de poro. Suele darse en valor promedio y se denomina poro efectivo.
  • Densidad superficial de los poros, es decir, el número de poros por unidad de superficie
  • Porosidad por volumen, lo que se refiere a la fracción de volumen total del material ocupado por poros o huecos
  • Morfología de los poros superficiales y perfil de rugosidad.
  • Tortuosidad, en el caso de materiales con poros interconectados, donde se evaluar las diferencias morfológicas entre ellos.

Ejemplos de materiales porosos

A continuación os mostramos algunos materiales con un alto grado de porosidad a los que se les suele medir esta propiedad, lo que no implica que cualquier material puede ser medido si es una propiedad que sea necesaria conocer:

  • Minerales, rocas y otros materiales geológicos porosos. Estos materiales son un ejemplo de la consecuencia de una estructura porosa en un material en presencia de condiciones adversas a lo largo del tiempo.
  • Materiales biológicos. Uno de los ejemplos más representativos son los huesos, en los cuales la porosidad interna es muy elevada. Como consecuencia, los huesos son materiales ligeros. Otro caso muy común es la piel, cuya porosidad está relacionada con su permeabilidad.
  • Polímeros porosos. Actualmente se están desarrollando nuevos polímeros porosos debido a que los poros ofrecen la posibilidad de almacenar diferentes tipos de moléculas según el tipo de cavidad. Dicha aplicación puede tener potencial futuro en los campos de catálisis química o intercambio de moléculas.
  • Alimentos. La porosidad de un alimento se relaciona directamente con su almacenamiento y sus condiciones de mantenimiento.

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