Ciencia

De izquierda a derecha: Hernán Darío Mejía Vásquez, Gilberto Bejarano Gaitán y Francisco Giraldo Marín. 

Investigadores del Centro de Investigación y Desarrollo de Materiales de la Facultad de Ingeniería, –CIDEMAT– están en la fase final del proyecto  Desarrollo de recubrimientos duros, auto lubricantes y bactericidas de TiAlN (Ag,Cu) –nitruro de titanio y aluminio– dopados con nanopartículas de cobre y plata para aplicaciones en instrumentación quirúrgica y odontológica.

El proyecto tiene como objetivo «brindarle un valor agregado», como los científicos subrayan, a los recubrimientos de TiAlN mediante la incorporación de nanopartículas de cobre y plata. Este es el resultado de la tesis de posgrado de Hernán Darío Mejía Vásquez, estudiante de la maestría en ingeniería de materiales, bajo la coordinación del profesor Gilberto Bejarano Gaitán, director de la línea de investigación en Ingeniería de Superficies del CIDEMAT. 

Para entender cuál es el proceso de innovación llevado a cabo por los investigadores, hay que conocer, en primer lugar, qué es el nitruro de titanio y aluminio (TiAlN). Se trata de un material cerámico extremadamente duro «que se aplica a nivel industrial desde hace muchos años en forma de recubrimiento, con el fin de mejorar la resistencia al desgaste y a la corrosión de herramientas de corte y conformado, utilizadas en la industria manufacturera», destacó el profesor Gilberto Bejarano Gaitán.

Como señalan los investigadores, la instrumentación quirúrgica y odontológica, que en su mayoría es elaborada con acero inoxidable martensítico (aleado con cromo), debe soportar elevados esfuerzos de fricción, motivo por el cual se corroe y deteriora en tiempos relativamente cortos.  

Este proceso de desgaste del instrumental se acelera durante los procedimientos de esterilización, lo que conlleva a un incremento de los costos de mantenimiento y de reposición de las piezas, reduce la calidad de los productos, y, por ende, la productividad y rentabilidad de los  fabricantes.

Perfeccionamiento de instrumentos 

¿En qué consistió el perfeccionamiento de este material en el que trabajó el grupo, con respecto al ya usado anteriormente en la industria? Lo que se buscaba principalmente era encontrar una solución al problema de las altas tasas de desgaste y corrosión que sufren dichos materiales, los investigadores encontraron que al dopar o dotar los recubrimientos de TiAlN con nanopartículas de cobre y plata, estos mantenían una elevada dureza, alcanzando un menor coeficiente de fricción y, por tanto, una mayor resistencia al deterioro.

«Al recubrir estos elementos de acero inoxidable con el nitruro de titanio aluminio –TiAlN–, se aumenta su dureza de 5 a 27 gigapascales (Gpa). Sin embargo, y con la finalidad de lograr una reducción adicional del coeficiente de fricción e incrementar la resistencia al desgaste, se pensó en incorporar nanopartículas de cobre y plata para suministrarle un elevado efecto autolubricante», destacó Hernán Darío Mejía, estudiante de maestría formado en el marco de este proyecto.

Además de la baja tasa de desgaste gracias a este proceso de dopaje, las nanopartículas de plata y cobre también producen un efecto bactericida en los recubrimientos, lo que le da un valor agregado a estos instrumentos utilizados en el sector de la salud. 

«Al dopar no solo con plata sino también con cobre, se logra un espectro bactericida mucho más amplio contra bacterias grampositivas y gramnegativas, lo que permite reducir significativamente los riesgos de infección de los pacientes durante los procedimientos quirúrgicos y procesos postoperatorios. El producto del trabajo fue muy satisfactorio, puesto que se lograron todos los objetivos que se habían planteado inicialmente», agregó el ingeniero Hernán Darío.

A la espera de recursos para iniciar la producción

La línea de investigación de ingeniería de superficies del grupo, a cargo del profesor Gilberto Bejarano, trabajaba desde hace 10 años aproximadamente en el diseño, desarrollo y aplicación de recubrimientos, no solo con fines académicos e investigativos, sino también con el propósito de transferir los conocimientos y la tecnología al sector industrial.

Por ello se han realizado ensayos mediante el recubrimiento de diferentes herramientas y piezas para varias empresas como la Nacional de Chocolates, Niquelados de Colombia –Nicol–, Industrias Extra, ENKA e Ingetierras, entre otras.

Los resultados estadísticos indicaron ahorros de varios millones de pesos al año, al sustituir las importaciones de ciertas herramientas a cambio de fabricarlas y recubrirlas en el país.

Todo este trabajo condujo a la obtención de una patente de invención de la cámara PVD que poseen en el laboratorio y que fue expedida por la Superintendencia de Industria y Comercio  –SIC – el 18 de diciembre de 2015.

Con base en lo anterior, el Grupo CIDEMAT inició hace un par de años un trabajo de transferencia a la empresa Nicol S.A. que culminó con el diseño y montaje de una planta industrial para la nitruración por plasma y la fabricación de recubrimientos, la cual aún debe ser complementada para lograr la prestación de los servicios al sector industrial.

La Universidad de Antioquia dio un licenciamiento de explotación comercial a la empresa Nicol, que representó un ingreso importante para la institución y que, además, le permitirá acceder al 5% de lo que Nicol perciba en los próximos cinco años mediante la comercialización de los servicios de recubrimientos. De ahí que, con el propósito de solucionar problemas específicos a algunas empresas que han solicitado asesoría al grupo, se ha considerado prestar estos servicios desde la Universidad.

El inconveniente es que, actualmente, la Facultad de Ingeniería carece del equipo necesario para realizar dichos procesos industriales, dado que la cámara de pulverización catódica con la que se cuenta en el laboratorio de esta dependencia solo posee la capacidad para ser usada en servicios de formación e investigación de los estudiantes de posgrado.

Por ello, el CIDEMAT considera la idea de gestionar los recursos necesarios para adquirir una cámara de mayor capacidad, con la cual se puedan comenzar a prestar servicios especializados al sector industrial y a estructurar proyectos de extensión con aquellas empresas que los requieran, lo cual traería beneficios económicos para seguir promoviendo los grupos y trabajos de investigación y extensión de la Facultad.

Ahora, la línea de investigación en Ingeniería de Superficies trabaja, entre otros, en un nuevo proyecto con otro estudiante de la Maestría en ingeniería de materiales, Francisco Giraldo Marín, que también tiene que ver con los recubrimientos de este tipo, pero, basado en una aleación de nitruro de titanio aluminio-vanadio dopado con nanopartículas de plata, el cual está destinado a tener aplicaciones biomédicas, sobre todo, en recubrimientos de implantes dentales y ortopédicos, gracias al carácter biocompatible y adecuado efecto bactericida que dichos recubrimientos podrían presentar.