Autor: Dr. Ernesto David García Bustos
Todos las piezas o componentes sólidos están formadas por materiales, los cuales a grandes rasgos, son un arreglo finito de átomos de uno o varios elementos con una estructura determinada (estructuras cristalinas o moleculares). Su arreglo y composición elemental controlan sus propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, ópticas y de desgaste, las cuales hacen que los materiales metálicos, poliméricos, cerámicos o compuestos (combinación de dos o más materiales) puedan ser utilizados para la fabricación de artículos de todo tipo, desde tensores para puentes (hechos de acero, un material compuesto de hierro y carbón) hasta vidrios para ventanas (el vidrio es un material cerámico a base de arena sílice) y/o suelas para los zapatos (frecuentemente hechas de poliuretano, un polímero de carbono e hidrógeno).
Sin embargo, hablar de las propiedades de las piezas o componentes sólidos, involucra definir de forma clara las secciones que lo conforman. Principalmente una pieza o componente se puede dividir en la sección interior o cuerpo, a la cual pertenece la mayor cantidad de material y no tiene contacto con el ambiente que la rodea, y la sección exterior o superficial, la cual tiene contacto con el ambiente que rodea la pieza, por lo que, aunque está integrada principalmente por el mismo material que el cuerpo, presenta diferencias notables en su arreglo atómico y elemental, debido principalmente a reacciones químicas, físicas y/o biológicas causadas por la interacción con el medio que las rodea. Un ejemplo de esto son las frutas como la manzana, las cuales están formadas por un cuerpo más suave y con mayor humedad que la sección exterior o cáscara. Sin embargo, cuando la manzana es cortada o mordida, una parte del cuerpo interior queda expuesta, generando una nueva superficie en contacto con el exterior, la cual reacciona con el ambiente que la rodea, siendo modificada para su adaptación pero sin llegar a ser igual que la cáscara que la cubría debido a al proceso en el que ambas superficies son generadas (Figura 1).
Figura 1. Superficie de Manzana antes y después de corte. Fotografía del autor.
Hablar de superficies implica principalmente la definición de los límites y/o fronteras de una pieza o componente, por ello, el diccionario de la Real Academia Española define el término “Superficie” como “Límite o término de un cuerpo, que lo separa y distingue de lo que no es él “ [1]. Mientras que las propiedades del cuerpo pueden ser relativamente constantes, las propiedades superficiales varían dependiendo de su relación con los parámetros que conforman el medio que la rodea. La modificación de las características de las superficies controlan sus propiedades como resistencia a la corrosión, desgaste, apariencia o textura, entre otras, de las piezas, ya sean móviles o estáticas. Es por ello que es importante estudiar y definir los cambios en cada aplicación de un material. Los investigadores dedicados al estudio de las características y propiedades de las superficies, como Wolfgang Pauli (ganador del Premio Nobel de física en 1945 por el descubrimiento del principio de exclusión, también nombrado el principio de Pauli)[2], quien dijo la frase “God made the bulk, surfaces were invented by the devil”, que se puede traducir como “Dios hizo el bulto, la superficie fue inventada por el demonio”, resaltando la modificación de las características y propiedades de las superficies de las piezas conforme a la aplicación y ambiente de trabajo.
Además, existen propiedades que se basan en la relación del tamaño del cuerpo y el área de superficie con el medio de trabajo. Algunos ejemplos son las propiedades que presentan las nanopartículas y nanoestructuras (Tamaño menor a 100 nanómetros) de Plata (Ag), Oro (Au), y Cobre (Cu) entre otras, las cuales presentan una diferencia notable en sus propiedades eléctricas, ópticas, catalíticas, etc. con respecto a las propiedades del mismo material a escala micro y/o macro (Tamaño mayor a 1 micrómetro), debido principalmente a que su tamaño genera un incremento de superficie, produciendo una reactividad física y química con el medio que la rodea.
Entre las propiedades que son mayormente afectadas por las características de las superficies de los materiales, se encuentran las propiedades tribológicas. La tribología es la ciencia que estudia los fenómenos de fricción, desgaste y lubricación cuando dos superficies están en contacto y movimiento relativo. La ciencia de la tribología, aunque es considerada relativamente nueva, debido a que su conceptualización se produjo como resultado del Reporte Jost, hecho por H.P. Jonson en 1966, donde se reportaba que en la industria existían grandes pérdidas económicas debidas a fenómenos de fricción y desgaste, y que éstas podrían evitarse al aplicar los principios básicos de la tribología (hasta ese momento). Este reporte fue seguido por estudios similares en países como Alemania y USA, entre otros [3]. El estudio de los fenómenos presentes cuando dos superficies se encuentran en contacto y movimiento relativo se remontan desde el diseño de experimentos y equipo de estudio (tribómetros) hechos por Leonardo da Vinci (a finales del siglo XV), considerado el primer “tribólogo” de la historia.
Una de sus principales bases es el estudio de las características de las superficies en contacto y su modificación, resultando en la variación de sus propiedades y con ello en la eficiencia de los mecanismos de los cuales son parte, con respecto al medio que los rodea. Un ejemplo de ello es la variación de la eficiencia en la transmisión de potencia de las ruedas de un automóvil y la pista (terracería, asfalto, concreto, empedrado, metal con y sin un material lubricante o abrasivo entre ellas) con la que se encuentra en contacto. Esto se debe al gasto de los recursos materiales (mezcla combustible-aire, desgaste de las piezas), energéticos (potencia necesaria para mover el vehículo y reparar o cambiar los mecanismos), humanos (horas hombre y habilidades de manejo y/o técnicas de reparación) y financieros (costo del combustible, mano de obra, herramientas y piezas), varía si se realiza un traslado del punto A al B en un ambiente de trabajo de alta o baja temperatura, con o sin lluvia, alta o baja presión atmosférica, con ambiente salino, polvo, zona urbana o rural, entre otros factores,y con ello la contaminación producida por dicha operación.
El estudio de la eficiencia, así como el gasto de recursos y consecuencias de cada operación, pueden ser analizados desde el punto de vista de los fenómenos tribológicos presentes que van desde el peinarse, hasta el despliegue de una antena para transmisión de información de una sonda de investigación espacial. En general, en ambas operaciones se tienen dos superficies en contacto, que en el caso de la operación de peinado, serían la superficie del peine o cepillo con la del cabello, con una fuerza de fricción entre ellas que se produce con el tirón del peine al presionarlo con el cabello para que este tome y/o recorra una forma determinada. Mientras que en el caso de la antena, las superficies en contacto serían la antena con los bujes de soporte, con una fuerza de fricción producida solo por las fuerzas Coulombianas de atracción entre átomos de ambas superficies de las piezas en contacto, ya que estas, al estar en el espacio exterior, no están influenciadas por la gravedad de la tierra, eliminando el valor de peso (gramos, kilogramos, libras, etc.) de cada una de ellas.
Al iniciar la operación de contacto-deslizamiento entre la superficie de la antena y la del buje de soporte durante su despliegue, se remueven las capas nativas de óxido formadas en ambas superficies por la atmósfera terrestre, y al no encontrarse en un ambiente de trabajo con oxígeno (aire o agua) la capa nativa no se vuelve a formar, incrementado de forma considerable la relación atómica entre superficies y con ello la fuerza de fricción, haciendo casi imposible el despliegue de la antena. Por otro lado, durante la operación de peinado, el cabello presenta una capa de grasa natural además de que por lo general, esta operación se acompaña de humedecer el cabello y/o agregar un producto lubricante con el objetivo de disminuir la fuerza de fricción entre las superficies, lo cual facilita el deslizamiento entre las superficies del peine y el cabello, sin embargo en ciertas ocasiones el peine queda polarizado, generando la repulsión y/o atracción de algunas fibras como el papel.
Un ejemplo de los procesos de desgaste se muestra en la Figura 2, donde se observa la remoción del material, deformación plástica y fractura, que formaban los filos de una broca recubierta con Nitruro de Titanio (TiN) después de realizar varios barrenos en una placa de acero.
Figura 2. Desgaste de broca recubierta con Nitruro de Titanio (TiN). Fotografía del autor.
Por todo ello, el estudio y la investigación sobre las propiedades de las superficies y su aplicación, es uno de los campos interdisciplinarios de gran importancia y evolución, tanto en el desarrollo de nuevos conocimientos, tecnologías, materiales, teorías y procesos, así como en su aplicación para incrementar la eficiencia de las actividades productivas, con el objetivo de reducir de uso de recursos materiales, energéticos, financieros y humanos, además de disminuir su impacto negativo en el medio ambiente. Aunado a ello, una de las principales líneas de investigación y aplicación de los conocimientos sobre la ciencia de la tribología es en el diseño y construcción de las prótesis ortopédicas, tanto permanentes como no permanentes, los cuales tienen como objetivo el incrementar la calidad de vida de los usuarios, extendiendo el tiempo de vida útil de las prótesis, reduciendo los daños a la salud del paciente durante su instalación y operación, así como reduciendo la invasión corporal durante su colocación y uso, y con ello el costo económico.
Algunos ejemplos de los desarrollos realizados para incrementar la vida útil de las prótesis van desde el reforzamiento de los materiales metálicos y/o poliméricos con partículas o fibras [4], la modificación de las características superficiales al cambiar su textura [5], o el recubrirse con un material metálico, cerámico y/o polimérico [6-9]. Además, se ha buscado la reducción de las infecciones producidas por bacterias adheridas a las superficies de las prótesis durante la cirugía de reemplazo y la integración ósea de las prótesis, reduciendo la probabilidad de rechazo del mecanismo, mediante la funcionalización de sus superficies con el depósito de nanopartículas de plata, que son bactericidas [10], y partículas de Hidroxiapatita, las cuales fomentan el crecimiento de tejido óseo en la superficie de la prótesis [9].
Lo anterior muestra un poco el alcance que tiene la ciencia de la Tribología, el cual va, desde aplicaciones como cortar una fruta, hasta el despliegue de antenas en satélites para telecomunicaciones, ejemplificando la importancia en su desarrollo y estudio.
Bibliografía
[1] www.rae.es
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[9] J.F. Louvier-Hernández, E. García-Bustos, C. Hernández-Navarro, G. Mendoza-Leal, L.A. Alcaraz-Caracheo, J. Navarrete-Damián, F.J. García-Rodríguez, Tribo-mechanical behavior of HDPE/Natural fibers filler composite materials, MRS Advances, 3 (2019) 3775-3781.
[10] H. Rodríguez-Acosta, J.M. Tapia- Rivera, A. Guerrero-Guzmán, E. Hernández-Elizarraráz, J.A. Hernández- Díaz, J.J.O. Garza- García, P.E. Pérez- Ramírez, S.F. Velasco- Ramírez, A.C. Ramírez- Anguiano, G. Velázquez- Juárez, J.M. Velázquez- López, Y.G. Sánchez- Toscano, S. García- Morales, M.M. Flores-Fonseca, D.E. García- Bustos, D.R. Sánchez- Chiprés, A. Zamudio- Ojeda, Chronic wound healing by controlled release of chitosan hydrogels loaded with silver nanoparticles and calendula extract, Journal of Tissue Viability, DOI https://doi.org/10.1016/j.jtv.2021.10.004(2021).
Acerca del autor
Ernesto David García Bustos es Ingeniero Industrial por la Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco. Cuenta con una Maestría en Ingeniería de Manufactura, por el Instituto Politécnico Nacional; y un Doctorado en Ingeniería Mecánica por el Instituto Politécnico Nacional. Realizó una estancia postdoctoral en la Universidad Nacional Autónoma de México, en el Instituto de Investigaciones en Materiales (IIM). Actualmente es miembro del programa Cátedras CONACyT, asignado a la Universidad de Guadalajara, en el Departamento de Ingeniería de Proyectos. Su área de investigación es en ciencias y aplicación de superficies, enfocadas en el estudio y modificación de las características superficiales para mejorar propiedades mecánicas y tribológicas en aplicaciones biomédicas, herramientas de corte y estudio de nuevas fuentes de energía en diferentes ambientes de trabajo.
Editores: Ximena Bonilla, Emiliano Cantón