Un equipo de investigación del Laboratorio de Extensión e Investigación en Materiales (LEIM) de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la FCEIA, logró desarrollar -mediante impresión 3D- y caracterizar, materiales compuestos que funcionan como sensores y actuadores sin necesidad de piezas móviles y a su vez, ofrecen la posibilidad de ser utilizados como generadores y recolectores de energía controlables a voluntad.
La investigación, llevada a cabo por los docentes e investigadores Fernando Lambri, Federico Bonifacich y Osvaldo Agustín Lambri, busca soluciones tecnológicas sostenibles, como el efecto magnetocalórico y electrocalóríco, para permitir procesos de climatización que no dependan de gases de efecto invernadero, que son altamente contaminantes para el ambiente.
Este trabajo académico se formaliza a través de la Tesis Doctoral del Ing. Eléctrico Fernando Lambri, que se enmarca dentro de un convenio internacional de cooperación de la FCEIA-UNR con la Universidad Pública de Navarra (España), bajo una amplia red de cooperación internacional adicional, donde también colaboran la Universidad del País Vasco (España) y la Universidad de Tecnología de Clausthal (Alemania).
Sobre el trabajo de investigación
El descubrimiento, publicado recientemente en la revista Smart Materials and Structures, se destaca porque este material compuesto de matriz polimérica producido mediante impresión 3D, utiliza como base un polímero piezoeléctrico de alto rendimiento, cuyo efecto es promovido por el proceso de impresión 3D.
Las partículas contenidas en los materiales compuestos estudiados son micropartículas de aleación metamagnética con memoria de forma de composición Ni-Mn-In-Co. Las micropartículas brindan la capacidad de su empleo como recolectores de energía por vibración mecánica, sensores/actuadores y para dispositivos basados en el efecto magnetocalórico. Por otro lado, la combinación de las propiedades inteligentes de la matriz del compuesto y de las micropartículas permitiría a este material la capacidad de actuar como fuente de energía y recolector de energía eléctrica controlado por campo magnético. Más aún, está propuesto el acoplamiento magnetocalórico y electrocalórico de estos materiales compuestos.
Sobre el avance
El equipo de investigación consiguió simplificar la creación de materiales inteligentes mediante el uso de impresión 3D. Los científicos descubrieron que el proceso de extrusión térmica actúa como un tratamiento físico que activa propiedades piezoeléctricas y piroeléctricas en el polímero PVDF que forma parte de la matriz del compuesto, eliminando la necesidad de métodos industriales costosos y complejos.
Al incorporar micropartículas de aleaciones metálicas de alta entropía dentro de esta matriz polimérica, el grupo desarrolló un compuesto capaz de generar voltaje eléctrico y, por lo tanto, energía eléctrica a partir del calor, cuya cantidad / magnitud puede ser regulada mediante campos magnéticos.
A pesar de enfrentar severas limitaciones presupuestarias y un contexto socio económico adverso, Osvaldo Agustín Lambri resalta el ingenio, la creatividad local y la colaboración internacional como motores para crear una tecnología con potencial en el sector de las energías renovables.
El equipo buscaba superar las limitaciones de ciertas aleaciones ferromagnéticas con memoria de forma que, aunque prometedoras para la refrigeración sustentable mediante el efecto magnetocalórico, resultaban demasiado frágiles para su aplicación tecnológica. A pesar de los desafíos económicos y de recursos, la investigación avanzó gracias al uso de tecnología única en el mundo, como la tomografía de rayos X bajo campo magnético desarrollada en el LEIM, y al apoyo del Centro Tecnológico de Plásticos y Elastómeros del IPS para la caracterización de los materiales. “Lo hicimos con el tomógrafo nuestro, lo adaptamos, y logramos crear tomografía bajo campo magnético, una cosa completamente nueva, que no se ha hecho en ninguna parte del mundo, y lo hicimos acá” indican los investigadores del LEIM.
La clave del avance fue la creación de un súper compuesto que combina una matriz polimérica (PVDF) con partículas de aleaciones inteligentes, fabricado mediante impresión 3D. Durante el proceso de impresión, los investigadores descubrieron que el acto de extruir el material a través de la impresora —bajo condiciones específicas de temperatura y presión— “activaba” las fases piezoeléctricas del polímero sin necesidad de los complejos y costosos tratamientos de alta tensión eléctrica que se requieren tradicionalmente. Este hallazgo permitió simplificar drásticamente la producción de materiales inteligentes, convirtiéndolo en un proceso rápido y accesible.
En su etapa final, el equipo logró demostrar que este material funciona como una pila, capaz de generar energía a partir del calor (efecto piroeléctrico). Lo más innovador es que el voltaje de salida de esta “pila” puede controlarse externamente mediante un campo magnético, el cual actúa sobre las micropartículas metamagnéticas con memoria de forma (internas) para ajustar la respuesta eléctrica del dispositivo. Este desarrollo tiene un potencial revolucionario para crear sistemas de refrigeración ecológicos sin gases de efecto invernadero, sensores avanzados y microgeneradores de energía eléctrica de bajo costo y alta eficiencia.
Aplicaciones
Este innovador material es una herramienta versátil con aplicaciones que podrían transformar nuestra vida cotidiana. Una de las más prometedoras se encuentra en la microelectrónica, donde el compuesto permite crear micro actuadores y sensores extremadamente confiables. Al ser un "compacto sólido" sin piezas móviles, se eliminan los riesgos de desgaste o rotura mecánica, logrando dispositivos de muy bajo consumo que ahorran espacio y energía.
“Estamos en camino de que uno pueda enfriar por el cambio de entropía de las partículas que están adentro del material por efecto magnetocalórico” indican los investigadores del LEIM y explican que el material permitiría una refrigeración ecológica basada en el efecto magnetocalórico y/o electrocalórico, porque esta tecnología permite enfriar o calentar aprovechando los cambios internos de las partículas del material, lo que evitaría el uso de los tradicionales gases de efecto invernadero, que son tan dañinos para el ambiente y acrecientan el problema del calentamiento global. “El consumo sería considerablemente bajo y el mantenimiento es cero” aseguran.
Finalmente, el desarrollo funciona como un generador inteligente capaz de cosechar energía del ambiente. Puede aprovechar el calor residual de un horno o el motor de una heladera para convertirlo en electricidad. Sobre este potencial, Fernando Lambri y Guillermo Bonifacich destacan que el objetivo es “generar energía a partir del calor que se desperdicia en otro equipo, sería la recolección de energía”. Según los investigadores, esta “recolección térmica e inteligente por el material compuesto” representa una forma sumamente eficiente de producir energía aprovechando lo que normalmente se pierde.
