La ciencia de materiales es un área transversal a diversas disciplinas, como la física, la ingeniería y la medicina. Sus aplicaciones van desde entender cómo funcionan fenómenos de la vida cotidiana hasta tener la posibilidad de fabricar huesos. En esta nota, docentes y egresados del Instituto Balseiro cuentan sus desafíos y logros en este apasionante campo.
Fecha de publicación: 07/06/2019
Cuando era chica, a Adriana Serquis le divertía jugar con su abuelo a hacer experimentos y arreglar aparatos. Más tarde, descubrió que había algo llamado física que explicaba los fenómenos cotidianos y supo que quería dedicarse a eso. Sin embargo, cuando cursaba la licenciatura, el área de materiales le parecía súper aburrida. “Después descubrí que es un mundo fascinante”, dice hoy la doctora en Física, investigadora del Conicet y jefa del Departamento de Caracterización de Materiales del Centro Atómico Bariloche (CAB).
La ciencia de materiales es un área transversal a numerosas disciplinas, entre ellas la física, la ingeniería, la medicina y la química. Explorar las propiedades de los materiales y su relación con la estructura interna sirve para aplicaciones diversas, desde la generación de energía hasta la regeneración de piel y huesos. En esta nota, egresados y docentes del Instituto Balseiro (IB), perteneciente a la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCuyo), cuentan en qué materiales trabajan y cuáles son los principales desafíos de este “mundo fascinante”.
Adriana Serquis se doctoró en el Balseiro y, en el 2001, se fue a Estados Unidos a hacer un posgrado. Tres años después volvió al CAB, en la primera camada de científicos repatriados. “Lo que tiene la ciencia de materiales es que lo que aprendés con un compuesto lo podés trasladar a otro aunque tenga propiedades diferentes. En el doctorado estudié materiales superconductores y ahora estamos usando ese conocimiento para estudiar materiales que transforman energía química en eléctrica”, cuenta.
Serquis y su equipo están trabajando en el desarrollo de pilas de combustible a partir de materiales óxido-cerámicos. El problema es que el proceso de conversión debe realizarse a alta temperatura, lo que dificulta su aplicación. Por eso, ahora están probando con materiales nanométricos, para tatar de conseguir mayor eficiencia a menor temperatura.
En este marco, el grupo ya desarrolló pequeñas celdas de combustible que convierten hidrógeno en energía eléctrica. Está pensado para poblaciones remotas pero el desafío es disminuir los costos de producción. Otra dificultad a resolver es lograr que las celdas conserven sus propiedades a medida que se va aumentando la escala.
A nivel mundial, el gran desafío en este campo es garantizar la duración de los materiales a través del tiempo, ya que al ser sometidos a altas temperaturas, se terminan degradando. “Si queremos obtener sistemas que funcionen a nivel comercial, necesitamos garantizar una cierta cantidad de horas de uso”, apunta la investigadora que, si bien no ha dejado de hacer ciencia básica, confiesa que hoy prefiere trabajar en aplicaciones tecnológicas concretas.
Fabricar la piel
La piel y los huesos tienen una capacidad innata de regeneración. Además, existen numerosos recursos de la medicina para acelerar el proceso. Pero, ¿puede la ciencia regenerar tejidos complejos como órganos y músculos? Esa es la pregunta que busca responder la ingeniería de tejidos o medicina regenerativa. Se trata de un campo de investigación que comenzó a tomar forma en la década del 80 y se vale de herramientas de diversas disciplinas, como ingeniería de materiales, biología y bioquímica.
Aldo Boccaccini es un ingeniero nuclear oriundo de San Rafael, Mendoza. Se recibió en el Instituto Balseiro con una tesis sobre materiales cerámicos para aplicaciones nucleares. Hoy es director del Instituto de Biomateriales de la Universidad de Erlangen-Nuremberg, en Alemania. “Los biomateriales son aquellos que se usan para aplicaciones biomédicas y que en algún momento están en contacto con el ambiente biológico, incluyendo proteínas, células, bacterias. Un ejemplo son los implantes quirúrgicos”, explica Boccaccini.
Los biomateriales se pueden clasificar en dos tipos: bioinertes y bioactivos. Los primeros deben tener buenas propiedades mecánicas y tienen la función de sostener y asistir a un tejido u órgano, como las prótesis y marcapasos. Los segundos, en tanto, interaccionan con las células y las “instruyen” para que regeneren tejidos. Actualmente, Boccaccini trabaja en el desarrollo de vidrios bioactivos, que son compuestos que podrían promover la diferenciación de células madre en un tipo específico de célula, como, por ejemplo, células óseas para un caso de osteoporosis.
“Uno de los desafíos más importantes en el área es poder generar una cantidad suficiente de células sin que se produzcan resultados adversos. Si bien este tipo de aplicaciones todavía se encuentra a escala de laboratorio, la ingeniería de materiales también tiene beneficios a corto plazo. Por ejemplo, generar modelos tridimensionales con biomateriales y moléculas que imitan el cuerpo humano. De esta manera, se puede reducir la cantidad de animales de laboratorio que uno utiliza en investigación”, indica el ingeniero.
Además de investigar y dar clases, Boccaccini coordina la Red de Científicos Argentinos en Alemania, que funciona como nexo con colegas del país, busca promover la generación de proyectos conjuntos y la capacitación de recursos humanos. “De esta manera, los científicos que estamos en el exterior también podemos aportar al desarrollo de nuestro país”, remarca.
La energía que nos rodea
El doctor en Física Pierre Arneodo se define como un fanático de la medición. Una de sus tareas en el Departamento de Físicoquímica de Materiales del CAB es calibrar y desarrollar equipos para medir. También es docente del Instituto Balseiro e investigador del CONICET en el área de materiales. “La ciencia de materiales comprende prácticamente todo lo que nos rodea, desde pequeños componentes electrónicos hasta grandes estructuras edilicias”, señala.
Arneodo se dedica al estudio de materiales almacenadores de hidrógeno, una línea de investigación dirigida por Fabiana Gennari. “Nos interesa ver cómo el material interactúa con el hidrógeno y lo captura”, dice. Un material de este tipo es el hidruro de magnesio, que se forma al combinar hidrógeno y magnesio en ciertas condiciones de temperatura y presión. También están evaluando la potencialidad de otra rama de hidruros complejos, que tienen una mayor cantidad de componentes y mayor capacidad de almacenamiento de hidrógeno.
Una dificultad que surge en torno al uso de hidrógeno para transporte y generación de energía es que para que el material absorba y luego libere el hidrógeno, hay que calentarlo. Este problema tecnológico hace difícil su uso, por ejemplo, en un automóvil. Sin embargo, como señalaba Serquis, es un buen método para almacenar y producir energía en zonas aisladas, combinándolo con energías intermitentes, como la solar y eólica.
Otra línea de investigación en la que se especializa Arneodo son las aleaciones con memoria de forma. Se trata de materiales que, luego de ser deformados, al ser calentados “recuerdan” su forma inicial. En esta área, Arneodo está trabajando junto a sus colegas Alberto Baruj y Graciela Bertolino en el desarrollo de materiales con forma de esponja. “La idea es fabricar un amortiguador: un material que cuando se comprima, vuelva a su lugar”, precisa.
La chispa que enciende la curiosidad
Hay un elemento de la tabla periódica que quizás no hayamos oído nombrar nunca pero, sin embargo, todos conocemos. Una pista: es protagonista imprescindible en cumpleaños, asados y cenas familiares. Se trata del cerio y está presente en la piedrita que genera la chispa en los encendedores. Un experto en este elemento es Julián Sereni, doctor en Física egresado y docente del Instituto Balseiro. Es investigador del CONICET y trabaja en el Laboratorio de Bajas Temperaturas del Departamento de Materia Condensada del CAB desde hace medio siglo.
“El cerio es el elemento más ‘empático’ de la tabla periódica: tiene la capacidad de amoldarse a su entorno cambiando su tamaño al ceder sus electrones según lo requieran sus vecinos. Esa capacidad de adaptación está ligada a las propiedades magnéticas de este material y lo que yo estudio es el nacimiento del magnetismo”, explica Sereni, que hoy trabaja en entender cómo algunos materiales usan sus propiedades magnéticas para enfriar. Esto podría aplicarse para refrigerar partes de un satélite, que es sometido a temperaturas extremas en el espacio exterior.
Para que un conocimiento de ciencia básica pase a ser aplicado, el investigador remarca la necesidad de una articulación fuerte entre el sector científico y el productivo. “La industria es una pata fundamental para la ciencia porque dice ‘necesito saber esto’ y mueve el engranaje. Sería bueno que haya más transferencia de científicos a las industrias”, afirma Sereni. También cuenta que disfruta mucho la docencia. “A los chicos siempre les digo que pregunten todo lo que les parezca porque si no, les voy a preguntar yo”, bromea.
-¿Qué le dirían a un o una adolescente que está pensando en estudiar física o ingeniería?
Sereni: Hacer física es mirar la naturaleza y sentir curiosidad por saber que hay detrás de las cosas. Así que si son curiosos, tienen las aptitudes necesarias para hacer investigación.
Boccaccini: La ingeniería es la llave de la innovación tecnológica y del bienestar de la sociedad. Además, es una carrera que tiene un buen futuro profesional, sea en investigación o en la industria.
Arneodo: Tienen que hacer lo que los motive. Una de las cosas más fascinantes de mi trabajo es que cada vez que te vas aproximando a un material, más se va corriendo la meta.
Serquis: Yo les quiero hablar a las chicas, que todavía son pocas en estas carreras, y decirles que no se autolimiten por estímulos externos. Las invito a que sigan jugando con su imaginación y elijan lo que tengan ganas de hacer.
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Por Nadia Luna
Informe especial para el Instituto Balseiro
Crédito imágenes:
*Apertura: Crédito Instituto de Biomateriales, Universidad de Erlangen-Nuremberg.
*Foto de A. Boccaccini: FAU/David Hartfiel.
*Fotos de A. Serquis, P. Arneodo y J. Sereni: Crédito Laura García Oviedo
Área de Comunicación Institucional
del Instituto Balseiro
San Carlos de Bariloche, 07/06/2019
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