Modelos multiescala de materiales nanocompuestos
Los materiales compuestos de matriz polimérica con nanorrellenos están sustituyendo a los polímeros convencionales en muchos sectores de la industria, al ser susceptibles de ofrecer una funcionalidad a medida. Un consorcio de grupos de investigación rusos y europeos ha elaborado un software de simulación para agilizar su desarrollo gracias a la financiación con fondos de la UE del proyecto COMPNANOCOMP (Multiscale computational approach to the design of polymer-matrix nanocomposites). Los investigadores desarrollaron y validaron la metodología y el software frente a dos categorías principales de sistemas, gomas (elastómeros termoplásticos) tanto naturales como sintéticas rellenas de sílice blanda y resinas termoestables rellenas de nanotubos de carbono (NTC). Para entender los efectos del refuerzo de los materiales nanocompuestos de matriz polimérica con partículas de relleno, el equipo integró tres niveles interconectados de representación con un énfasis especial en materiales para fabricar «neumáticos ecológicos» de goma natural rellena de sílice. El primer nivel era una representación atomística detallada de las cadenas poliméricas y las nanopartículas. Se utilizó dinámica molecular para el seguimiento de su comportamiento. En la escala intermedia se modelizaron los polímeros como cadenas unidas libremente y las nanopartículas como esferas individuales utilizando un método de Monte Carlo inspirado en la teoría de campos. En el nivel más grosero se representó el polímero en términos de extremos de cadenas, reticulación, entrelazamiento, adsorción y puntos de injerto utilizando la dinámica browniana de grano grueso junto con simulaciones cinéticas de Monte Carlo. Los integrantes del proyecto desarrollaron también un método de estimación de las velocidades de adsorción y desorción de cadenas con extremos constreñidos (mediante reticulación o entrelazamiento) desde un polímero fundido en un sustrato sólido para su uso en la representación grosera. En otra aproximación, se modelizaron las propiedades elásticas y disipativas de los elastómeros reforzados. Las comparaciones con datos experimentales mostraron una coincidencia cualitativa muy satisfactoria. En una estrategia multiescala, que combina esquemas de mapeado y mapeado inverso «sobre la marcha», se utilizó el procedimiento de construcción de redes basado en la dinámica de partículas reactivas y disipativas y la dinámica molecular completamente atomística para simular resinas epoxi con un alto grado de reticulación rellenas con NTC tanto de pared única como de pared múltiple. Las simulaciones elucidaron propiedades importantes de los sistemas epoxi-NTC así como su relación con parámetros de procesamiento. Mediante trabajo de simulación respaldado por una optimización experimental, el equipo produjo matrices con nanorrellenos, utilizando NTC para aplicaciones aeroespaciales y sílice para aplicaciones en energía eólica. Mejoró así el rendimiento de los materiales compuestos reforzados con fibras de carbono. Los modelos multiescala de polímeros termoplásticos y termoestables con nanorellenos desarrollados en el marco del proyecto COMPNANOCOMP prometen agilizar el desarrollo de materiales nanocompuestos de alto rendimiento preparados a medida para muchos sectores industriales como el del transporte y el de la energía. Los talleres e intercambios científicos organizados para impartir formación en el software a estudiantes e investigadores aumentarán su utilización y permitirán maximizar su impacto.
Palabras clave
Multiescala, material nanocompuesto, polímero, simulación, nanorelleno, elastómero, NTC
