La receta para conseguir granates a partir de cemento, y no es alquimia

Cristales de granate unidos a su roca anfitriona. Shutterstock / anne-tipodees

El clínker Portland, base del cemento, abundante y barato, es posiblemente la materia elaborada más fabricada del mundo. En el laboratorio lo hemos transformado en granate, de manera similar a como se obtienen diamantes artificiales a partir de grafito, aplicando presión y temperatura.

El proceso es un avance más de las tecnologías pioneras que están revolucionando los materiales tal y como los conocemos. No somos alquimistas ni magos: transformamos cemento en granate con el único conjuro del avance de la ciencia.

¿Cómo es posible? Ligeras variaciones mineralógicas en las composiciones iniciales pueden producir cambios drásticos, tanto en la composición mineralógica final como en la morfología del material. Así, hemos logrado obtener granates artificiales en el laboratorio aplicando presiones tan bajas como 50 megapascales. En la naturaleza se requieren presiones mucho más altas para que se produzcan.

De la caliza y la arcilla

El clínker Portland es la materia prima con la que se fabrica el cemento. Es un material cerámico que se obtiene tras aplicarle calor a una mezcla de caliza y arcilla, materiales muy abundantes y baratos en la naturaleza.

Una vez clinkerizado se consigue una mezcla de componentes cerámicos, entre los que mayoritariamente hay silicatos (silicato bicalcico y tricálcico), aluminato tricálcico y ferrito-aluminato tetracálcico. Una vez transformado, hay que mezclarlo con yeso y algún que otro aditivo para conseguir cemento hidráulico, el principal material utilizado en construcción. El proceso de fabricación del clínker es masivo: más de 4 000 millones de toneladas al año en todo el mundo. Es, posiblemente, la materia elaborada más fabricada sobre la faz de la tierra.

El clínker, abundante y barato, tiene un precio cercano a los 60 euros por tonelada.

Clínker Portland, la materia prima del cemento. Wikimedia commons

El granate: la joya del color de la granada

El granate es una piedra semipreciosa, y su química es muy compleja. Debe su nombre a que posee un color similar al de los granos de la fruta conocida como granada. Se utiliza en joyería y también como abrasivo. El granate es más duro que el cuarzo. No es tan escaso como otras piedras preciosas o semipreciosas (se fabrican más de 400 000 toneladas al año), pero tiene un valor de mercado seis veces superior al del clínker.

La composición del granate está basada en silicatos, pero es de mucha más complejidad que la del clínker y tiene una estructura cristalina distinta.

Convertir clínker en granate ha requerido casi 30 años de trabajo de investigación y hay que destacar algo realmente significativo: no era lo que buscábamos.

Los granates pertenecen al grupo de los silicatos. Wikimedia commons

Un punto de partida

En el año 1995 publicamos un artículo en el boletín de la Ceramic Society que estudiaba la viabilidad de utilizar esa materia prima tan barata, el clínker, en la fabricación de cerámicas estructurales utilizando una vía convencional: prensado uniaxial y sinterización. Aquel trabajo fue el punto de partida que demostraba que además de ser resistente, la cerámica así obtenida es bastante fiable y reproducible.

Entonces ya sabíamos que el material conseguido tenía propiedades mecánicas que podían ser competitivas, y la idea dio lugar a algunos trabajos interesantes, pero no se trasladó a ninguna aplicación industrial.

Casi treinta años después, un trabajo colaborativo ( entre UC3M, UPM, CINN-CSIC, Universidad Europea e Inop-Poznan) liderado por dos grupos de investigación, el Instituto IMDEA Materiales y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), ha consolidado el material utilizando una técnica de sinterización avanzada que recibe el nombre de Spark Plasma Sintering.

Presión y temperatura

El Spark Plasma Sintering es una tecnología que utiliza, de forma simultánea, presión y temperatura. El aumento de temperatura se consigue gracias al paso de una corriente pulsada a través del polvo de clínker.

Los equipos de sinterización asistida por campo eléctrico (SPS) están disponibles comercialmente y ya no se limitan al trabajo de investigación de laboratorio. Productos como semiconductores termoeléctricos, materiales con función gradiente, implantes biomédicos, alabes de turbina o toberas de cohetes se pueden producir industrialmente utilizando estos equipos.

Si utilizando técnicas más convencionales con las cerámicas los resultados habían sido prometedores, era de esperar que utilizando SPS pudieran mejorarse. Y así fue. Pero, además, hemos obtenido algo inesperado: un material con las mismas propiedades que una piedra semipreciosa, el granate. Como muchas otras veces en ciencia, la serendipia ha vuelto a sorprendernos.

Matrices de grafito a alta temperatura en un equipo de sinterización asistida por campo eléctrico (SPS) Cortesía de Dariusz Garbiec, Instytut Obróbki Plastycznej Inop, CC BY

El trabajo conjunto se ha publicado en Ceramics International y demuestra que este material, consolidado con una presión y temperaturas no muy elevadas, puede transformarse parcialmente en granate.

La receta para obtener granate

Sólo el aumento de unos cientos de grados de temperatura aplicado de forma simultánea a unas docenas de MPa de presión ha obrado el milagro de la transformación de un material sin muchas pretensiones en granate, un material semiprecioso que el ser humano ha utilizado desde la Edad del Bronce.

A las temperaturas de sinterización, se crean cavidades líquidas dentro de una red sólida que con el enfriamiento se transforman en zonas de alta presión. De este modo, en algunas áreas localizadas se amplifica notablemente la presión y se produce el milagro.

De manera similar a cómo se obtienen diamantes artificiales a partir de grafito (para ello hay que aplicar simultáneamente altas temperaturas y muchos GPa de presión), pero usando presiones y temperaturas mucho más accesibles industrialmente, es posible transformar el clínker Portland en granate.

La ciencia de materiales se abre camino estudiando rutas ya exploradas y aprovechando los saltos tecnológicos disponibles para dar un valor añadido a materiales que son abundantes y baratos como materia prima. Del cemento al granate. Parece imposible, ¿verdad?

The Conversation

José Manuel Torralba no recibe salario, ni ejerce labores de consultoría, ni posee acciones, ni recibe financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y ha declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado.


Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.

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