La próxima revolución de la aeronáutica es una nueva pintura hecha con nanoesferas

Fujii Minoru y Sugimoto Hiroshi creen que pueden cambiar el mundo con una mano de pintura. Estos científicos de materiales de la Universidad de Kobe han descubierto una nueva sustancia que puede cubrir cualquier cosa de cualquier color brillante por una fracción insignificante de la pintura tradicional. Como explica Sugimoto, “podemos aplicarlo al revestimiento de, por ejemplo, los aviones. Los pigmentos y recubrimientos de un avión pesan varios cientos de kilogramos. Si utilizamos nuestra tinta basada en nanoesferas, podríamos reducir el peso a menos del 10%”.

Estas nanoesferas son cristales de silicio casi invisibles que, según una nueva investigación publicada en la prestigiosa revista revisada por pares ACS Applied Nanomaterial, reflejan la luz de tal manera que pueden cubrir un espectro completo de colores vibrantes y duraderos.

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La base de su descubrimiento está en el simple hecho científico de que el color no es sólo las frecuencias de la luz que se absorben, sino también lo que se refleja. Los pigmentos tradicionales funcionan ‘tragando’ ciertas longitudes de onda de luz, dejándonos con los colores que vemos. Sin embargo, con el tiempo, estos pigmentos se deshacen, como le pasa a un cartel descolorido por el sol.

La naturaleza muestra el camino

Pero la naturaleza nos muestra que hay otra manera de obtener colores brillantes que persisten en el tiempo, como el brillo iridiscente del ala de una mariposa o la cola de un pavo real. Esto se llama "color estructural", un fenómeno que básicamente manipula la luz a nivel nanométrico para producir color.

Ésta es la clave del avance de Fujii y Sugimoto. Sugimoto dice que la alta reflectancia de sus nanoesferas —a pesar de la pequeña cobertura que ofrecen en la superficie— “se debe a la altísima eficiencia de dispersión” de la luz de estos nanocristales de silicio. Sólo se necesita una cantidad muy pequeña de cristales de silicio para generar el color, asegura.

Fujii afirma que este trabajo sigue sus investigaciones anteriores, que empezaron en 2020, cuando lograron por primera vez el control preciso del tamaño de las partículas para obtener los nanocristales que querían exactamente. Desde entonces, el equipo ha desarrollado “suspensiones coloidales de nanopartículas de silicio esféricas y cristalinas”, apunta. La suspensión coloidal es lo que hace que la pintura tenga un estado estable en el que las nanopartículas permanecen mezcladas con el líquido que las soporta, sin separarse entre pigmento y líquido. Este es un requisito crucial para crear pinturas prácticas.

Sus nanopartículas, explican, generan luz de dispersión de color mediante un fenómeno llamado 'resonancia de Mie'. "[Esto] nos permite desarrollar tintas de colores estructurales", explica Fujii. El equipo puede cambiar el color que reflejan estos nanocristales manipulando su tamaño como un ingeniero de audio puede controlar el tono de una nota cambiando la forma de las ondas de audio. Las partículas más pequeñas producen azules y violetas, mientras que las más grandes reflejan brillantes rojos y naranjas.

Pero la verdadera magia de su invención, aseguran, no está sólo en el color en sí, sino en su consistencia. Mientras que los colores estructurales tradicionales, como los que muestran algunos animales como el pavo real, cambian según el punto de vista, estas nanoesferas de silicio mantienen el mismo color desde cualquier ángulo de observación.

El peso es la clave

Las ventajas de este nuevo invento no terminan en el brillo, durabilidad o consistencia de los colores. El peso es el factor más importante que puede ahorrar enormes cantidades de dinero a tantas industrias, como explican los investigadores: "Una sola capa de nanopartículas de silicio distribuidas sin apenas densidad sobre un espesor de sólo 100-200 nanómetros muestra colores brillantes pero pesa menos de medio gramo por metro cuadrado”.

La razón es que estas nanoesferas tienen una eficiencia extrema de dispersión de la luz. Esto significa que "brillan al máximo cuando están separados, por lo que no requieren tanta densidad como los pigmentos tradicionales". Estos puede parecer contradictorio si piensas en pinturas y pigmentos tradicionales, pero así es como funcionan estos nanocristales según el análisis computacional y los experimentos de los científicos japoneses.

Considere las implicaciones en una industria como la aeronáutica, donde cada gramo de un avión, incluso un paquete de azúcar para un café, tiene un efecto enorme en el consumo de combustible. Cuando multiplicas el peso de algo tan pequeño como ese paquete de azúcar por el número de unidades dentro de un avión por el número de aviones con paquetes de azúcar por el número de horas de vuelo, acabas con millones de kilos de combustible gastados en todo el mundo sólo para que puedas tomar un café dulce durante el vuelo.

Un cálculo a vuelapluma

Ahora imagina el peso de la pintura de un avión. Puede parecer insignificante porque parece parte del mismo pero es otra capa más de peso. El efecto de esta nueva pintura puede ser asombroso tanto en el coste del vuelo como en los millones de toneladas de CO2 producidas por los aviones.

La pintura de un avión no es sólo una capa de color para proteger el fuselaje y hacer imagen de marca. Es un peso que debe levantarse en cada despegue, transportarse a lo largo de cada kilómetro y traerlo a la tierra en cada aterrizaje. Considera un avión típico como el Boeing 777, uno de los aviones de fuselaje ancho más populares del mundo. Con esta nueva pintura de nanopartículas, cada 777 perdería 450 kilogramos de peso, el equivalente de un piano de cola.

Si bien esto puede parecer trivial para una máquina que pesa más de 300 toneladas, amplía el objetivo. En el transcurso de un año, un 777 de una aerolínea consume alrededor de 168.750.000 kilogramos de combustible. Con esta nueva pintura de nanopartículas, cada avión ahorraría casi 76.000 kilogramos de combustible al año. Esto además se traduce en una reducción de aproximadamente 239,2 toneladas métricas de CO2 por avión cada año.

Ahora imagina que tienes una aerolínea con cien 777 (o equivalentes) en funcionamiento. Anualmente, esta flota podría ahorrar unos 7.593.750 kilogramos de combustible, lo que se traduciría en una reducción de CO2 de unas 23.920 toneladas métricas. Y si fijamos el precio del combustible de aviación en alrededor de los 0,80 dólares por kilogramo, el ahorro asciende aproximadamente a 75.937,50 dólares por avión al año. Para nuestra flota hipotética de cien aviones, esto suma la friolera de 7,59 millones de dólares en ahorros anuales.

Ahora piensa en los cielos de Estados Unidos, base de operaciones de miles de aviones comerciales. Si una fracción de estos aviones adoptara esta tecnología, el ahorro en coste de combustible y emisiones de CO2 sería monumental, millones de dólares ahorrados a la industria y decenas de miles de toneladas métricas CO2 que podríamos evitar anualmente.

A nivel mundial, el impacto es aún mayor, claro. Con más de 20.000 aviones comerciales en los cielos de todo el mundo, la adopción de esta pintura de nanopartículas podría traducirse en un ahorro de cientos de millones de dólares y un paso significativo hacia un futuro más ecológico y sostenible en la aviación. Para una industria que está obsesionada con ahorrar cada céntimo que sea posible, esta pintura será sin duda una propuesta atractiva. Ahora sólo falta verla evolucionar desde el laboratorio hasta convertirse en un producto industrial que pueda aplicarse en miles de aviones y en cualquier otra industria, desde la construcción al mundo del automóvil.