Electrospinning de materiales cerámicos

Introducción

Los materiales cerámicos son ampliamente conocidos por su resistencia a altas temperaturas, su estabilidad química, y sus elevadas propiedades mecánicas y eléctricas. Los materiales cerámicos se pueden presentar de distintas maneras, incluyendo nanopartículas (0D), nanofibras (1D), finas capas o recubrimientos (2D) y cerámica maciza (3D).

En los últimos años, el electrospinning de materiales cerámicos ha despertado el interés por su capacidad de producir nanofibras cerámicas con propiedades únicas.

Electrospinning con materiales cerámicos

En el contexto de los materiales cerámicos, y dado que no son susceptibles de disponer en una disolución de forma directa, el proceso de electrospinning para conseguir nanofibras cerámicas típicamente incluye la incorporación de un precursor cerámico a una disolución polimérica (usando un polímero con alta capacidad de procesarse de forma estable mediante electrospinning). Los principales pasos para la obtención de nanofibras cerámicas son:

  • Preparación de la disolución polimérica: dado que una disolución hecha sólo con precursores cerámicos no tiene suficiente viscosidad para formar un jet durante el proceso de electrospinning (y la viscosidad es uno de los parámetros esenciales en el proceso de electrospinning), generalmente se suele añadir un polímero compatible. La elección del polímero y del precursor cerámico, así como su concentración y proporción, dependen de las propiedades deseadas en las nanofibras cerámicas finales. Otra opción es emplear el proceso sol-gel, que incluye una etapa de polimerización.
  • Proceso de electrospinning: la disolución se carga en una jeringa (en el caso de un equipo de electrospinning a escala laboratorio), y se aplica un alto voltaje entre la aguja y el colector. El campo eléctrico provoca que la disolución forme lo que se conoce como cono de Taylor en la punta de la aguja, lo que a su vez genera un jet. Este jet se estira y, durante su trayecto entre emisor y colector, el disolvente se evapora y se generan las nanofibras solidificadas. En este punto, el precursor cerámico está embebido en las nanofibras poliméricas.
  • Tratamiento de calor (post-proceso): las nanofibras cerámicas electroestiradas se suelen someter a un tratamiento de calcinación en forma de procesos de post pirolisis, hidrotermales y carbotermales. Estos tratamientos eliminan el polímero, de manera que las nanofibras resultantes están compuestas exclusivamente por el material cerámico. Estos tratamientos también mejoran las propiedades superficiales de las nanofibras. Si el objetivo es obtener nanofibras híbridas del tipo polímero- cerámico, el tratamiento de calor puede no ser necesario, o bien las condiciones del mismo pueden variar, según el tipo de electrospun material que se persiga obtener.

Materiales y precursores cerámicos

Existen varios materiales cerámicos que han sido procesados mediante electrospinning con éxito, lo que permitide que el número de aplicaciones siga creciendo. Algunos ejemplos de materiales cerámicos incluyen óxidos (ej. TiO2, ZnO, SiO2), carburos (ej. SiC), nitruros (ej. BN), y composites. La elección del precursor cerámico influye en las propiedades de las nanofibras resultantes, tales como su resistencia mecánica, conductividad eléctrica y estabilidad térmica.

Las fibras de composite que combinan polímeros con materiales cerámicos están despertando mucho interés. Estos composites a menudo poseen propiedades mecánicas, térmicas o eléctricas mejoradas respecto a sus componentes individuales.

Composites polímero-cerámico: mediante una cuidadosa selección de polímeros y precursores cerámicos, los investigadores crean compuestos que aprovechan las propiedades deseables de ambos componentes. La técnica de electrospinning puede generar nanofibras de composites polímero-cerámicos. Estos composites tienen aplicaciones en un amplio rango de campos, desde aeroespacial hasta electrónica.

Composites carbono-cerámico: el electrospinning ha jugado un papel clave a la hora de producir composites carbono-cerámico. Estos materiales muestran una estabilidad mecánica y térmica mejorada, haciéndolos adecuados para aplicaciones de alta temperatura.

Aplicaciones de las nanofibras cerámicas obtenidas mediante electrospinning

Algunas de sus aplicaciones incluyen:

  • Catálisis: las nanofibras cerámicas, con su alta área superficial, son una excelente plataforma para aplicaciones catalíticas. Pruebas de catálisis realizadas con nanofibras cerámicas obtenidas mediante electrospinning muestran mayor actividad y estabilidad, haciéndolas valiosas para aplicaciones industriales.
  • Sensores: las nanofibras cerámicas obtenidas mediante electrospinning están siendo investigadas para su uso en sensores debido a su alta relación entre superficie y volumen. Se pueden emplear en sensores de gas y humedad, y en biosensores, ya que poseen una alta sensibilidad a los cambios en el ambiente.
  • Almacenamiento de energía: las nanofibras cerámicas juegan un papel protagonista en dispositivos de almacenamiento de energía, tales como baterías de iones de litio y supercondensadores. Su estructura singular facilita ciclos de carga/descarga rápidos, mejorando el rendimiento de estos dispositivos. Las membranas de nanofibras por electrospinning, suelen generar una alta densidad energética y un buen trasiego electrónico. Es por ello que el electrospinning está despuntando también en aplicaciones relacionadas con la energía.
  • Ingeniería de tejidos: en el campo biomédico, las nanofibras cerámicas se están investigando para aplicaciones de ingeniería de tejidos. Estas fibras pueden proporcionar un andamiaje que replica la matriz extracelular, promoviendo la adhesión y crecimiento celular. El electrospinning es una de las técnicas que más se están explorando últimamente en el campo de ingeniería de tejidos.
  • Filtración: la alta porosidad y el pequeño tamaño de poro de las nanofibras cerámicas producidas por electrospinning las hacen adecuadas para determinadas aplicaciones de filtración. Se han empleado con éxito en sistemas de filtración de aire y agua, demostrando su capacidad y eficiencia de separar partículas.

Retos y sostenibilidad

Entre los principales retos que existen en la obtención de nanofibras cerámicas destaca conseguir una distribución homogénea del precursor cerámico dentro de la matriz polimérica, ya que esto es crítico para la formación de nanofibras cerámicas uniformes. Los investigadores actualmente se enfrentan a retos relacionados con la separación de fases durante el proceso de electrospinning para mejorar la calidad general de las nanofibras.

Por otro lado, los investigadores están explorando el uso de precursores cerámicos que sean eco-friendly con el objetivo de desarrollar métodos sostenibles para la producción a gran escala a la vez que se reduce el impacto medioambiental.

Conclusiones

El electrospinning ha emergido como una técnica especialmente indicada para producir nanofibras cerámicas debido a su bajo coste, facilidad en la preparación de la disolución que contiene el precursor cerámico y el polímero, y su capacidad de generar nanofibras sólidas y huecas. Las propiedades de las nanofibras obtenidas mediante electrospinning son superiores respecto a su equivalente macizo bebido a su reducido peso, así como a su estructura porosa y su alta área superficial.

Las aplicaciones de las nanofibras cerámicas son amplias, abarcando desde la catálisis y el almacenamiento de energía a la ingeniería de tejidos. Las propiedades únicas que exhiben las nanofibras cerámicas siguen impulsando la innovación en distintos campos. La investigación que se está llevando a cabo intenta resolver retos relacionados con la formulación de la disolución, la separación de fases y el escalado del proceso. También se están explorando alternativas más sostenibles y aplicaciones eco-friendly, asegurando el crecimiento continuo del electrospinning en el campo de los materiales cerámicos.

En el Grupo Bioinicia, tenemos experiencia en el procesado de algunos materiales cerámicos mediante electrospinning. Asimismo, algunos de nuestros clientes usuarios de equipos de electrospinning Fluidnatek, son especialistas en aplicaciones cerámicas con nanofibras de electrospinning, con un resultado positivo y satisfactorio del uso de la tecnología Fluidnatek para electrospinning y electrospraying.

 

Referencias

[1] B. Sahoo et al., “Electrospinning of functional ceramic nanofibers”, Open Ceramics 11 (2022) 100291.

[2] H. Esfahani et al., “Electrospun Ceramic Nanofiber Mats Today: Synthesis, Properties, and Applications”, Materials 2017, 10, 1238.

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