Investigadores mexicanos aceleran desarrollo de materiales para la industria automotriz

Descubrir o desarrollar nuevos materiales podrí­a ser como tratar de encontrar una aguja en un pajar, sin embargo, gracias a la metodologí­a conocida como experimentación de alta eficiencia (HTE, por siglas en inglés), investigadores mexicanos del Centro de Tecnologí­a Avanzada (Ciateq) Estado de México están acelerando la investigación en este tema.

Con la tecnologí­a que existe actualmente la tarea de innovar en materiales es cada vez más compleja, pues se podrí­a decir que se ha avanzado tanto que las posibilidades son menos, y en aplicaciones para automotriz que es una industria más demandante, la necesidad de reducir los tiempos de desarrollo son cada vez más importantes.

El sistema o metodologí­a HTE llegó a México en el año 2000 y fue una iniciativa de Grupo Resistol, que se implementó con apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologí­a (Conacyt) en un centro de investigación de la propia empresa con el objetivo de desarrollar nuevos materiales.

En 2003, la alemana Henkel compró a Grupo Resistol y aunque el sistema HTE continuó como propiedad de la empresa, posteriormente el centro de investigación donde se utilizaba cerró y por un acuerdo entre Conacyt y Henkel en 2012, ese centro privado paso a Ciateq Estado de México, donde desde entonces se ha utilizado la experimentación de alta eficiencia.

Este centro se especializa en el desarrollo de materiales desde nanomateriales; materiales compuestos; plásticos sustentables, es decir, que no provengan del petróleo, sino de fuentes renovables como plantas; y poliolefinas, que son los que tienen mayores aplicaciones en el sector automotriz.

También investiga sobre reciclaje de plásticos; plásticos para el sector de energí­a alternativa como fotovoltaicos, semiconductores, etc.; y elastómeros aplicados en neumáticos o llantas.

De este modo, la ventaja de aplicar el sistema HTE es que se pueden realizar varios experimentos de forma paralela en lugar de hacer una prueba a la vez, mejorando la probabilidad de éxito haciendo un mayor número de experimentos en menos tiempo, lo que además reduce el consumo de recursos materiales y humanos y también los desperdicios.

“A partir de una idea, una experimentación convencional a lo mejor se puede llevar dos meses y aquí­ en una semana se puede tomar una decisión de si vale la pena invertir en esa ruta o experimento. Entonces, este tipo de experimentación nos ayuda a reducir los tiempos de decisión y los tiempos de investigación”, dice Luis Edmundo Lugo Ugalde, responsable del Laboratorio HTE de Polí­meros y Materiales del Ciateq.

Tiene muchas ventajas, a decir del especialista, porque se tiene un mejor aprovechamiento de los recursos, se puede tener mayor oportunidad de vinculación en otras lí­neas de investigación y se reducen los tiempos de respuesta a la hora de hacer el escalamiento de un proceso.

Además, el sistema puede tener control de temperatura, presión, velocidad y se pueden hacer diferentes tipos de sí­ntesis quí­mica. En suma, permite acelerar el desarrollo de nuevas tecnologí­as y esto implica que se pueden causar cambios disruptivos para ofertar nuevos tipos de producto.

Alrededor del mundo esta metodologí­a o sistema es utilizado por empresas privadas como sucede en la industria farmacéutica o como lo han hecho las compañí­as Dow o Exxon para desarrollar materiales poliméricos para aplicaciones automotrices.

Hallazgos inesperados

“La experimentación de alta eficiencia está basada en cómo poder incrementar la probabilidad de tener un éxito en encontrar un material que nos funcione”, explica Lugo Ugalde.

La HTE está basada en las serendipias de la ciencia, es decir, en descubrimientos o hallazgos inesperados y valiosos que se producen de manera casual o accidental cuando se está buscando un resultado distinto. Entre las serendipias más famosas, como comenta el investigador del Ciateq, está la de Isaac Newton y la ley de la gravedad, cuando una manzana cayó de un árbol frente a sus ojos.

Otras son la del famoso ¡Eureka! de Arquí­mides con el concepto de la densidad. También están los descubrimientos de los Rayos X, la penicilina, la vulcanización, y más recientemente del viagra, y son cosas que surgieron a pesar de que se hicieron experimentos donde se trató de tener todo controlado, pero muchas veces los grandes descubrimientos vienen cuando las cosas se salen de esos controles.

El sistema HTE consiste en hacer muchos experimentos de manera simultánea o hacer mapeos de variables que se sabe que pueden ser importantes, pero también toma en cuenta lo que ya existe en la literatura, información que haya resultado de otras investigaciones, y que en su momento quizá no fue útil.

“Lo que se busca hacer con este tipo de metodologí­a, es reducir ese pajar del que hablábamos, hacer que ese pajar sea más pequeño, cómo hacerlo, pues utilizando la simulación o la experimentación de alta eficiencia”, afirma.

Un ejemplo claro de los beneficios de la HTE se puede ver en un caso de la industria farmacéutica, donde una compañí­a en 2001 experimentaba con alrededor de 500,000 moléculas y en 2009 con el sistema HTE llegó a 2,000,000 de compuestos que pudieron evaluar para ver si funcionaban.

Al final generaron una base de datos y además pudieron discriminar de manera más rápida las moléculas con las que podí­an tener mayor éxito en fármacos para el cáncer, el sida, la diabetes y otras enfermedades. Esto se hizo en aproximadamente 10 años, cuando en general los desarrollos farmacéuticos pueden tardar 20 o 30 años.

El sistema de experimentación de alta eficiencia con el que cuenta el Ciateq, y que está a disposición de todas las empresas que lo requieran, tiene tres aspectos fundamentales: lo primero es la miniaturización, ya que tiene 48 pequeños reactores de 5 ml donde se realizan las reacciones en pequeña escala y no se necesita gran cantidad de materias primas y tampoco genera muchos residuos.

El segundo aspecto es que está automatizado, es decir, cuenta con robots que se encargan de ir inyectando los reactivos a los pequeños reactores, con lo que esa tarea repetitiva se automatiza y el robot lo hará siempre de la misma manera y con precisión.

Y la tercera caracterí­stica es que en lugar de hacer una prueba a la vez, se hacen 48 pruebas de manera simultánea, esto es, se reduce 48 veces el tiempo que llevarí­a hacer una experimentación porque se hacen 48 al mismo tiempo.

“El principio de este tipo de experimentación es mejorar la probabilidad de éxito haciendo un mayor número de experimentos en menor tiempo; reduciendo el consumo de recursos tanto materiales como humanos y obteniendo información valiosa en tiempos más cortos”, comenta Luis Edmundo Lugo Ugalde.

A partir de una idea, una experimentación convencional podrí­a llevar, por ejemplo, dos meses y con HTE en una semana se puede tomar una decisión de si vale la pena invertir en esa ruta, o sea, este tipo de experimentación ayuda a reducir los tiempos de decisión y los tiempos de investigación.

Buenos resultados

Esta metodologí­a fue aplicada por Dow para desarrollar materiales poliméricos tipo poliolefinas, son TPO’s (oleofinas termoplásticas) rí­gidos o duros, que se utilizan tanto en aplicaciones de exteriores de automóvil como paneles, facias, o en interiores donde importa mucho el contacto, y fue una tecnologí­a disruptiva.

Dow fue una de las primeras que utilizó metodologí­as de experimentación de alta eficiencia para desarrollar nuevos materiales, y creó InsiteTM, que se basa en catalizadores, de tipo metaloceno, que permite obtener estos polí­meros TPO’s que pueden ser tanto rí­gidos como flexibles o suaves. Y desarrollaron dos marcas: Engage, que son elastómeros de poliolefina, que pueden ser tanto rí­gidos como suaves, y estos materiales Infuse que en general son materiales suaves.

En Ciateq, han trabajado en proyectos para generar polietilenos con grupos funcionales, sistemas catalí­ticos para generar poliolefinas termoplásticas, en ceras de poliolefinas como aditivos de pinturas, entre otros. Todos estos experimentos se hicieron en cuatro años, cuando de una manera tradicional habrí­an llevado hasta 25 años y requirieron 10 veces menos recursos y se generaron dos patentes.

Uno de los proyectos consistió en la sí­ntesis de elastómeros para llantas verdes, donde el hule debí­a tener ciertas propiedades para que cuando frene el material tenga buen agarre al asfalto, pero que cuando esté rodando no se necesite mucha energí­a para mover la llanta.

La parte del frenado o wet traction tiene que ver con que el hule tiene que ser muy deformable a baja temperatura y la otra propiedad que es esa baja resistencia al rodado (rolling resistance) tiene que ver con que cuando el hule esté rodando se comporte más como un sólido. Para lograr esas propiedades el hule por sí­ solo no puede hacerlo, necesita ir mezclado con otro aditivo y lo que se necesita para lograr esto es sí­lice o sí­lica, óxido de silicio, en polvo muy fino.

La tendencia en las llantas que se están produciendo actualmente es que todas tengan estas propiedades, a que sean mezclas con sí­lica y sean estos compuestos de este tipo de elastómeros que sean S-SBR y esto es ya por normatividad, tanto en Europa como en Japón y Estados Unidos, porque al final de cuentas esto va enfocado a ahorrar energí­a.

“Nosotros usamos esta metodologí­a de experimentación de alta eficiencia para una empresa mexicana que justamente se dedica a sintetizar hules; ellos fabricaban únicamente hules en emulsión o en solución que usaban para por ejemplo asfalto modificado. No tení­an este producto, pero nosotros usando este sistema les ayudamos a disminuir la brecha que tení­an con sus competidores, ese camino que ellos no tení­an recorrido, ahorita ya tienen productos comerciales, todaví­a no están a nivel de competir con las grandes, pero ya tienen productos en su cartera para este tipo de aplicación”, dice.

La HTE también se ha utilizado para hacer una modificación a elastómeros (TPE), para que pudieran ser pintados, ya que una de las desventajas de los polí­meros es que la mayorí­a no tiene adherencia a la pintura, pero si utilizamos grupos funcionales es más fácil hacer la aplicación de una pintura.

Otro tení­a que ver con el desarrollo de polí­meros biobasados que consiste en obtener plásticos a partir de plantas, en particular, de aceites como el de cocina. A partir de ese aceite se obtienen compuestos que después se hacen reaccionar para obtener un plástico, un poliéster o un poliuretano.

“Lo que quiero trasmitirle a las empresas es que esta metodologí­a contribuye a tener una solución más rápida de lo que se requiere para el mercado, por ejemplo, en el caso de la industria automotriz que cada vez está pidiendo más materiales con propiedades soft touch o de buena apariencia como acabados tipo piel, pues eso se puede desarrollar más rápido usando este tipo de metodologí­as y están disponibles en México, ese es el mensaje”, concluye Luis Edmundo Lugo Ugalde.