Ingeniería de superficies: una nueva piel para los materiales

Los materiales son cruciales a la hora de construir, modificar y crear productos, por lo que la industria exige cada vez más de los materiales que emplea para su producción. Las empresas están requiriendo progresivamente materiales sostenibles con mayores prestaciones, alta durabilidad y nuevas funcionalidades. Esta es una de las razones por las que los materiales inteligentes son uno de los puntos en los que la comunidad científica de todo el mundo está poniendo un gran interés, dadas las características únicas que tienen estos sistemas “multifuncionales”. Esta evolución en las necesidades que las compañías de diversos sectores, como la automoción, las renovables o la aeronáutica demandan de los materiales ha generado el impulso de determinadas tecnologías orientadas a incrementar su valor.

Los materiales interactúan con el ambiente y con otros materiales a través de sus superficies, lo que las convierte en una parte crucial de los materiales por dos motivos bien diferentes. En primer lugar, es en las superficies donde se originan fenómenos tales como la corrosión, el desgaste y la fatiga, que pueden acortar la vida útil de ciertos componentes. El segundo motivo es que las superficies determinan las propiedades químicas, electrónicas, ópticas o mecánicas de un material.

Estas son las razones del surgimiento en el inicio de los años 70 del término “ingeniería de superficies”. Es dentro de las tecnologías tradicionales de tratamiento térmico de superficies, tales como el endurecimiento por templado, la nitruración o la carburización donde pueden hallarse los orígenes y principios fundamentales de la ingeniería de superficies.

Esta disciplina nace por tanto de la unión de lo tradicional y lo moderno. Surgió de la necesidad de resolver fenómenos de desgaste con tecnologías tradicionales de tratamiento térmico y evolucionó impulsada por la necesidad de generar nuevos materiales multifuncionales.

Actualmente, esta disciplina se entiende como un campo dentro de la ciencia de los materiales que comprende la aplicación de tecnologías físicas y químicas dirigidas a la modificación de la superficie de los materiales con el fin de conferirle nuevas propiedades, mejorar alguna característica inherente al material u obtener una nueva apariencia. La ingeniería de superficies, por tanto, no sólo comprende las tecnologías de deposición o de recubrimiento, sino también cualquier modificación física o química sin aporte de material. La generación de una rugosidad ordenada en una superficie, por ejemplo, puede cambiar la estética mate o brillante de un material o su energía superficial. En resumen, la ingeniería de superficies transforma los materiales de partida únicamente a través de la modificación de su “piel”.

Visión industrial y aplicaciones

En la industria se tiende a desarrollar superficies de manera específica para un componente concreto. Por tanto, la práctica habitual consiste en un conjunto de soluciones puntuales que hacen complicado el desarrollo de nuevas oportunidades, ya que los problemas más generales están asociados al escalado y a la predicción del comportamiento del material.

Muchos sectores industriales de alta carga tecnológica, como el energético o la construcción, utilizan de forma rutinaria la tecnología de tratamientos superficiales. Fundamentalmente la aplicación que hacen de estas tecnologías está orientada a la solución de ciertos mecanismos de desgaste (abrasión, corrosión, erosión, fretting…), ya que se estima que tan solo la corrosión y el desgaste de los materiales representa alrededor de un 4% del Producto Interior Bruto (PIB) en los países industrializados. Dada su importancia, las aplicaciones industriales de la ingeniería de superficies son muchas y cada vez más diversas. La actividad innovadora del sector continúa y seguirá en el futuro buscando conferir a los materiales nuevas propiedades tan diversas como la capacidad bactericida o las propiedades autolimpiables, antigrafiti, anti-hielo e incluso antivaho.

Las propiedades o características más deseadas de alcanzar para la industria mediante la ingeniería de superficies abarcan todo el abanico que va desde las propiedades del tipo óptico a las relacionadas con la salud, pasando por las estrictamente estéticas. Entre ellas, las propiedades electrónicas, como la conductividad de superficies electrocrómicas. Algunas de las más desarrolladas son las propiedades ópticas destinadas a sectores como la construcción (vidrio de baja emisividad que bloquee el paso de la radiación infrarroja), la producción de energía fotovoltaica (óxidos transparentes conductores), o incluso la decoración (capas estéticas).

La tecnología también ha desarrollado de manera significativa la ingeniería de superficies para dotar a los materiales de propiedades tribológicas. Sectores como la automoción o la aeronáutica necesitan emplear materiales con superficies que soporten una vida en entornos hostiles, expuestos a medios químicos y fenómenos como la fricción o la corrosión.

Ingeniería de superficies en IK4-TEKNIKER

Frente a los retos que plantean los nuevos materiales multifuncionales y las exigencias de durabilidad en entornos más hostiles, la ingeniería de superficies es una de las apuestas a futuro de IK4-TEKNIKER dentro de su nueva filosofía de especialización. Esta línea se aplica a diversas Unidades Tecnológicas del centro (Química de Superficies, Física de Superficies, Tribología, Micro-nano tecnologías y Procesos de Ultraprecisión) y aglutina todo el conocimiento necesario para establecer una estrategia de centro y una visión de futuro.

IK4-TEKNIKER cuenta con diferentes tecnologías en este campo; técnicas de aporte de material físicas y químicas (Physical Vapor Deposition (PVD) y Sol-gel), tecnologías de transformación química superficial sin aporte de material (electrodeposición por plasma) y tecnologías de transformación física superficial sin aporte de material (láser, litografía de nanoimpresión, fotolitografía UV). Asimismo, cuenta con un laboratorio de caracterización que hace posible el desarrollo y validación de las diferentes superficies como paso previo a la aplicación de las mismas en un entorno industrial. El equipo de especialización en Ingeniería de Superficies de IK4-TEKNIKER trabaja en la búsqueda de oportunidades a futuro de esta disciplina, contrastando su capacidad tecnológica con las necesidades industriales reales, mediante un acercamiento directo a empresas que exponen sus necesidades a corto, medio y largo plazo. Esa relación directa entre las empresas e IK4-TEKNIKER ha permitido al centro definir objetivos específicos de desarrollo y redirigir el esfuerzo al más corto plazo.

IK4-TEKNIKER, que atesora una larga experiencia en proyectos, tanto estatales como europeos, industriales o de generación de conocimiento dentro del campo de la Ingeniería de Superficies, se plantea ahora dos retos tecnológicos principales. En primer lugar, globalizar el conocimiento generado en las diferentes soluciones puntuales, de modo que así facilite el desarrollo de nuevas oportunidades, ya que es capaz de predecir el comportamiento del material y de simplificar su escalado. Por otro lado, el centro quiere desarrollar materiales multifuncionales que puedan requerir la unión de diferentes tecnologías.

El objetivo último de estos retos es dar respuesta a las necesidades prácticas de la industria. IK4-TEKNIKER aborda la necesidad expuesta por el cliente a través de diversas tecnologías, definiendo cuál es la idónea para cada caso, teniendo en cuenta la industrialización del proceso y diseñando un protocolo de validación de la solución definida.