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En años recientes, el avance tecnológico en la obtención de nanomateriales ha dado la posibilidad de generar nuevos materiales cuyas propiedades efectivas, a micro y nano escalas, pueden ser controladas.¹ Destacan los trabajos realizados con micropartículas de caucho,² nanopartículas de sílica,³ nano fibras de carbono, o partículas magnéticas.⁴ Es decir, es posible manipular las propiedades físicas de materiales compuestos; por ejemplo, la fabricación de polímeros nano mejorados gracias a microestructuras formadas por nanopartículas.

Un material compuesto posee propiedades únicas que resultan de combinar dos materiales con diferentes características físicas o químicas.⁵ El proceso anterior es resultado de introducir partículas o fibras (reforzamiento) dentro de otro material, llamado matriz. Entonces, es un proceso no molecular en el que los materiales originales conservan sus propiedades en caso de ser separados.

Es importante mencionar que la morfología compleja afecta la creación de materiales compuestos; esto ha motivado el desarrollo de métodos predictivos, sobre las propiedades efectivas de un proceso de combinación, antes de correr riesgos con la experimentación de materiales.

Los métodos predictivos se basan en simulaciones,⁶ teoría de medios efectivos,⁷ o la regla de las mezclas. Así, hay modelos predictivos que consideran los efectos provocados por el tamaño y la forma de las nanopartículas en el fenómeno del transporte de cargas eléctricas.⁸ Otros modelos buscan la correlación entre las propiedades mecánicas y la dimensión fractal de los bordes de los granos,⁹ por medio de un análisis estadístico de regresión lineal.¹⁰ También, existen modelos que relacionan la geometría de la estructura, formada por las inclusiones de partículas, con sus propiedades mecánicas; estos modelos emplean la teoría fractal y las leyes de potencias.¹¹ Entonces, el análisis de la morfología compleja se puede extender al estudio de fracturas en los huesos ya que es posible establecer una relación entre la dimensión fractal de la fractura con la dirección y la magnitud de sus energías.¹²

La UPAEP también se ha sumado a la investigación de materiales compuestos.

Específicamente, se estudia la incorporación de nano-polvo de grafito en una matriz polimérica. Entre los resultados destaca el hecho de que la formación de aglomerados de grafito, con microestructura compleja, afecta las propiedades mecánicas de la resina. En el laboratorio de Ciencia de los Materiales se fabricó y midió la resistencia a la tracción ⯑C de varias muestras variando la concentración ⯑_g en volumen de las inclusiones.

Aunado a lo anterior, en el primer intento del experimento se encontró un comportamiento anómalo cuando la concentración de grafito es ⯑_g<0.1. Es decir, los resultados del experimento no coinciden cuando se comparan con un modelo tradicional de mezclas donde sólo se considera la concentración de volumen ⯑_g. Entonces, el primer modelo matemático propuesto no fue capaz de predecir el comportamiento de las propiedades de los materiales compuestos. A pesar de que podemos considerar a lo anterior como un “resultado negativo,” esto forma parte del desarrollo de una investigación ya que, cuando aún no tenemos datos, elegimos el modelo que mejor reflejo las propiedades teóricas del objeto de estudio. Posteriormente, los datos nos ayudan a mejorar las predicciones que hacemos con los modelos matemáticos.

Por lo anterior, es necesario modificar el modelo para poder considerar efectos provocados por el tamaño promedio y la estructura compleja que forman las aglomeraciones de las inclusiones. Al proceso anterior se le suele conocer como ajuste y sirve para encontrar los parámetros con los que el modelo se acerque lo más posible a la realidad.

Hecho el ajuste, el modelo modificado permitió entender la anomalía anterior en la que se puede apreciar que para concentraciones de grafito mayores a 0.1, ⯑_g<0.1, el comportamiento queda definido sólo por la relación de la concentración de las inclusiones. Por otra parte, en la región 0.05<⯑_g<0.1 el tamaño promedio de las aglomeraciones que se forman es de mayor relevancia para la propiedad mecánica, mientras que para la región ⯑_g<0.05 es de mayor relevancia la morfología compleja de estas aglomeraciones. ¹³

En conclusión, se observa que al poder controlar morfologías complejas es posible fabricar materiales compuestos con una mayor resistencia a la tracción a bajas concentraciones de nano polvo de grafito. Esto permite fabricar materiales compuestos con una menor cantidad de inclusiones pues su costo de producción se reduce. La continuación de esta investigación pretende caracterizar las propiedades térmicas y eléctricas del material compuesto para utilizarlo como baterías alternativas a las de polímero de litio. También se buscará manipular la morfología de las inclusiones a fin de controlar sus propiedades efectivas.