Muchos edificios monumentales están hechos de piedra caliza natural. Es muy agradable trabajar con este material poroso y tiene un aspecto precioso, pero los edificios necesitan mucho mantenimiento. Las nanopartículas ofrecen la solución.
La inyección de nanopartículas hace que el material sea mucho más estable y resistente. Investigadores de la Universidad Técnica de Viena y de la Universidad de Oslo han investigado cómo funciona la cristalización de las nanopartículas en la piedra caliza.
Para ello, se fijaron en la catedral de San Esteban, situada en el centro de Viena. Es uno de los edificios más famosos de la capital austriaca. La iglesia es de piedra caliza. El clima y el viento erosionan lentamente el material natural. Los minerales de calcita que componen la piedra están relativamente poco interconectados. Por ello, el edificio suele ser andamiado para su restauración. Se trata de un proceso largo y costoso.
Nano-inyección
Afortunadamente, la nanotecnología ofrece una solución en este caso. Al inyectar una solución de un silicato especial de nanopartículas en la piedra caliza, el material se vuelve mucho más resistente.
Este método se utiliza desde hace tiempo, pero no está del todo claro por qué funciona tan bien. Esto ha cambiado ahora gracias a los hallazgos del profesor Markus Valtiner de la Facultad de Física Aplicada de la Universidad Técnica de Viena y sus colegas, que han publicado su estudio en la revista Langmuir.
Apretado en las filas
En un laboratorio del sincrotrón DESY, en la ciudad alemana de Hamburgo, se puso bajo la lupa este proceso de endurecimiento artificial. O más bien bajo un microscopio extremadamente caro. Así se identificaron las mejores nanopartículas para reforzar este tipo de caliza. "Empleamos una suspensión, un líquido, en el que las nanopartículas pueden flotar libremente", dice Valtiner. "Cuando esta suspensión entra en la piedra caliza, el agua se evapora y las nanopartículas forman puentes moleculares estables entre los minerales. Esto da a la piedra una estabilidad adicional".
Cristal coloidal
Un tipo especial de cristalización se produce cuando el agua se evapora. Normalmente, un cristal está formado por una disposición uniforme de átomos individuales. Pero en este caso, las nanopartículas enteras se organizan en una estructura cristalina ajustada. Esto se llama "cristal coloidal".
Las moléculas de silicato artificial forman cristales coloidales entre sí cuando el líquido de la solución se evapora. Estas nuevas conexiones en la piedra caliza hacen que el material natural sea mucho más fuerte. Así, ya no se desmorona por el clima u otras causas.
Rayos X
El equipo quería averiguar exactamente cómo funciona este proceso de cristalización. Por ello, en Hamburgo se disparó una dosis extremadamente alta de rayos X a través del material preparado justo cuando se formaban los cristales coloidales. "Realmente queríamos saber qué factores intervienen en la fuerza de los nanoenlaces. Se trataba de buscar la combinación más potente para este material", explica la investigadora y autora principal del estudio, Joanna Dziadkowiec.
"Probamos todo tipo de situaciones, diferentes tamaños de nanopartículas y diferentes concentraciones. Con la máquina de rayos X pudimos analizar todos estos escenarios". Quedó claro que el tamaño de las nanopartículas jugaba un papel clave en la búsqueda de la solución más fuerte.
Pequeño pero fino
"Al final descubrimos que la piedra caliza gana más estabilidad cuando se inyectan las nanopartículas más pequeñas posibles. La cohesión entre los minerales de la roca natural es la que más se beneficia de ello", dice Dziadkowiec. "Si se utilizan partículas más pequeñas, se crean más conexiones en el cristal coloidal entre los minerales. Cuantas más partículas participen en el proceso de cristalización, más potente será el material".
Más es mejor
Así que muchas nanopartículas pequeñas, eso es lo que mejor funciona. "La concentración de la sustancia activa en la suspensión altera ligeramente el proceso de cristalización coloidal", dice Valtiner.
Estos nuevos conocimientos pueden usarse en el futuro para llevar a cabo proyectos de restauración de edificios históricos con mayor eficacia. Para que no haya que restaurarlas al cabo de unos años.