Microestructuras para conseguir nuevas propiedades en los materiales

En la naturaleza se pueden encontrar constantemente plantas o animales que presentan propiedades únicas y sorprendentes. Por ejemplo, hay algunas serpientes con pieles que cambian de color dependiendo del ángulo desde el que se las vea, así como la existencia de insectos que son capaces de “caminar” sobre el agua. Estas propiedades, aunque son inusuales están, en mayor medida, aceptadas en la naturaleza. Ahora bien, ¿qué pensarías si te dijéramos que se le puede dar las propiedades de cambio de color de la piel de serpiente a un teléfono móvil, o la capacidad de “caminar” sobre el agua de los insectos a una barra de acero? Todo esto y mucho más es posible modificando la rugosidad superficial de las cosas, o lo que es lo mismo, dotando a las superficies de determinadas microestructuras para conseguir nuevas propiedades en los materiales.

¿Qué es una microestructura?

Dependiendo de la escala, cualquier estructura puede modificar su entorno de forma distinta. Por ejemplo, si una montaña tiene cavidades y agujeros de metros de largo, lo llamamos cueva, y puede ser usada como almacén u hogar. Por otro lado, si las cavidades y agujeros son milimétricos, lo llamaremos porosidad de la roca. Y, como mucho, podrá pasar a través de ella algún líquido como el agua, o algún gas como el aire, pero en ningún caso una persona.

En el caso de las estructuras realizadas en la escala micrométrica, se les da el nombre de microestructuras. Estas microestructuras suelen presentarse como patrones simples de rugosidades en la superficie de los materiales, los cuales cambian algunas de las propiedades de dichas superficies.

Tipos de microestructuras

Existen distintos tipos de microestructuras, así como diversas formas de clasificarlas. En este blog se van a distinguir dos grandes grupos: microestructuras naturales y microestructuras artificiales.

Microestructuras naturales

Las microestructuras naturales, como su propio nombre indica, son aquellas que se dan en la naturaleza. Tanto las plantas como los animales han evolucionado durante miles de años para adaptarse a su entorno. Algunas de estas adaptaciones son de mayor escala, como pueden ser los cuellos largos de las jirafas para llegar a las copas de los árboles, o los pulgares oponibles de los primates para poder agarrar objetos con mayor facilidad. Otras, sin embargo, son microscópicas, y también proporcionan ciertas ventajas sobre su entorno.

Algunos ejemplos de microestructuras naturales se pueden ver a continuación:

Piel de tiburón

Es una microestructura basada en líneas, presente en las escamas de los tiburones, la cual tiene propiedades superhidrófobas de repelencia de agua. Esto le permite al tiburón ser capaz de nadar con menor oposición del agua, y por tanto alcanzar mayores velocidades.

Piel de gecko

Es una microestructura basada en pilares, que proporcionan propiedades superhidrófobas. Esto hace que cualquier gota de agua que entre en contacto con su piel, resbale sin adherirse, y finalmente sea expulsada. Esta propiedad ayuda al gecko a mantenerse limpio y poder deshacerse de los granos de arena que puedan adherirse a su cuerpo al vivir en el desierto.

Hoja de loto

Es una microestructura que proporciona propiedades superhidrófobas. Las flores de loto, pese a crecer en zonas con abundante agua, mantienen sus hojas siempre secas y limpias gracias a las propiedades hidrófobas de sus hojas. De esta forma, el agua al ser repelida, arrastra cualquier partícula de polvo o suciedad y mantiene las hojas limpias.

Piel de serpiente

Es una microestructura basada en líneas, capaz de descomponer la luz en sus distintos colores. Esto hace que dependiendo del ángulo desde el que se observe, su piel parezca de un determinado color u otro, consiguiendo así atraer a distintas presas de las que alimentarse.

Microestructuras artificiales

Las microestructuras artificiales son aquellas que ha desarrollado el ser humano, y que no se dan como tal en la naturaleza. Si bien es cierto que muchas de estas microestructuras tratan de replicar microestructuras naturales, los procesos de fabricación de los que se dispone por el momento, no permiten replicarlas por completo. Debido a esto, muchas de las microestructuras artificiales presentan un patrón simple que se repite ordenadamente, sin poder emular parte de la forma caótica de las microestructuras en la naturaleza.

Algunos ejemplos de microestructuras artificiales pueden verse a continuación:

Microestructuras en forma de valles o líneas

Se obtienen al realizar líneas en una misma dirección.

Microestructuras en forma de cuadrículas

Se obtienen al realizar líneas en dos direcciones perpendiculares.

Microestructuras en forma de pilares

Se obtienen al crear columnas o pilares que sobresalen de la superficie.

Microestructuras en forma de cavidades

Se obtienen al crear hoyos o cavidades en la superficie.

Métodos para obtener microestructuras

Las técnicas por las que se pueden conseguir microestructuras artificiales son muy diversas y variadas. Por ejemplo, si pulimos un objeto, estamos modificando su microestructura superficial, y con ello sus propiedades. De igual manera, si a una superficie pulida, la abrasamos con una lija gruesa, aumentamos su rugosidad y también cambiamos su microestructura superficial. Estos métodos son ejemplos sencillos con los que se puede obtener microestructuras determinadas, pero las propiedades que se pueden conseguir de esta forma son limitadas y bien conocidas.

En este apartado, nos centramos en dos de los métodos más novedosos y mediante los cuales se pueden obtener microestructuras de gran precisión y pequeño tamaño.

Láser

Permite, mediante el barrido del haz láser de una superficie, crear microestructuras a partir de unas pocas micras. Es un método que permite microestructurar gran variedad de materiales y que se ha desarrollado bastante en los últimos años. En ATRIA hemos realizado ejemplos de Microestructuración por láser.

Fotolitografía

Permite la deposición por capas de un bajo rango de materiales, sobre sustratos muy específicos. Es necesario utilizar máscaras para poder realizar esta técnica, la cual habitualmente no permite procesar grandes superficies. Por otro lado, el abanico de microestructuras que es posible conseguir es más amplio y de mejor calidad y definición que con el láser.

Propiedades que se pueden modificar con las microestructuras

Previamente, se han comentado por encima algunas propiedades que pueden modificarse mediante la microestructuración de las superficies de los materiales. A continuación, se detallan algunas de ellas:

Hidrofobicidad

Se puede hacer que la superficie de un material repela el agua u otros líquidos. Para ello, se debe de diseñar una microestructura específica para cada material y líquido. El motivo por el cual se puede repeler el agua o ciertos líquidos, se centra en la modificación de la tensión superficial de material, sosteniendo al líquido en su superficie.

Hidrofilicidad

Al igual que con la hidrofobicidad, que hace que un material repela el agua o un líquido concreto, también se puede hacer que lo atraiga. Con esto, se puede conseguir que el líquido se expanda rápidamente por la superficie, lo cual puede ser beneficioso, por ejemplo, para procesos de pintado o de pegado.

Abrasión

Con la microestructura adecuada, se puede controlar la rugosidad, y por tanto la abrasión que se da en la superficie de un material. Si además se tiene en cuenta la presencia de algún tipo de lubricante, se pueden crear microestructuras que permiten la mejor lubricación de la superficie y por lo tanto su menor abrasión.

Antibiofilm

Con ciertas microestructuras muy específicas, es posible inhibir la proliferación de las bacterias en la superficie de los materiales. Si bien no se consiguen matar las bacterias, sí que es posible hacer que no puedan depositarse adecuadamente, y por lo tanto se evita la proliferación de las colonias de bacterias y su consiguiente transformación en biofilm.

¿Quieres dotar a tus materiales de nuevas propiedades superficiales? ¡Contacta con nosotros!

Posts relacionados:

Proyectos relacionados: