Newswise: muchos edificios históricos se construyeron en piedra caliza, como la Catedral de San Esteban en Viena. La piedra caliza es fácil de trabajar, pero no soporta bien la intemperie. Se compone principalmente de minerales de calcita que están relativamente débilmente unidos entre sí, razón por la cual partes de la piedra se siguen desintegrando a lo largo de los años, lo que a menudo requiere costosos tratamientos de restauración y conservación.
Sin embargo, es posible aumentar la resistencia de la piedra tratándola con nanopartículas de silicato especiales. El método ya se está utilizando, pero hasta ahora no está claro qué sucede exactamente en el proceso y qué nanopartículas son las más adecuadas para este propósito. Un equipo de investigación de TU Wien y la Universidad de Oslo ahora ha logrado aclarar exactamente cómo se lleva a cabo este proceso de endurecimiento artificial a través de elaborados experimentos en el sincrotrón DESY en Hamburgo y con exámenes microscópicos en Viena. De esa forma, el equipo podría determinar qué nanopartículas son las más adecuadas para este propósito.
Una suspensión acuosa con nanopartículas
«Utilizamos una suspensión, un líquido, en el que las nanopartículas inicialmente flotan libremente», dice el profesor Markus Valtiner, del Instituto de Física Aplicada de TU Wien. “Cuando esta suspensión ingresa a la roca, la parte acuosa se evapora, las nanopartículas forman puentes estables entre los minerales y le dan a la roca una estabilidad adicional”.
Este método ya se usa en tecnología de restauración, pero hasta ahora no se sabía exactamente qué procesos físicos tienen lugar. Cuando el agua se evapora, ocurre un tipo muy especial de cristalización: normalmente, un cristal es una disposición regular de átomos individuales. Sin embargo, no solo los átomos, sino también las nanopartículas enteras pueden organizarse en una estructura regular; esto se denomina «cristal coloidal».
Las nanopartículas de silicato se juntan para formar estos cristales coloidales cuando se secan en la roca y así crean nuevas conexiones entre las superficies minerales individuales. Esto aumenta la resistencia de la piedra natural.
Mediciones en el centro de investigación a gran escala DESY y en Viena
Para observar este proceso de cristalización en detalle, el equipo de investigación de TU Wien utilizó la instalación de sincrotrón DESY en Hamburgo. Allí se pueden generar rayos X extremadamente fuertes, que se pueden usar para analizar la cristalización durante el proceso de secado.
«Esto fue muy importante para comprender exactamente de qué depende la fuerza de los enlaces que se forman», dice Joanna Dziadkowiec (Universidad de Oslo y TU Wien), primera autora de la publicación en la que ahora se presentan los resultados de la investigación. «Usamos nanopartículas de diferentes tamaños y concentraciones y estudiamos el proceso de cristalización con análisis de rayos X». Se ha demostrado que el tamaño de partícula es decisivo para una ganancia de resistencia óptima.
Para esto, TU Viena también midió la fuerza adhesiva creada por los cristales coloidales. Para ello, se utilizó un microscopio de interferencia especial, perfectamente adecuado para medir fuerzas diminutas entre dos superficies.
Partículas pequeñas, más fuerza
«Pudimos demostrar: cuanto más pequeñas son las nanopartículas, más pueden fortalecer la cohesión entre los granos minerales», dice Joanna Dziadkowiec. «Si usa partículas más pequeñas, se crean más sitios de unión en el cristal coloidal entre dos granos minerales, y con la cantidad de partículas involucradas, también aumenta la fuerza con la que mantienen unidos los minerales». También es importante cuántas partículas están presentes en la emulsión. «Dependiendo de la concentración de partículas, el proceso de cristalización ocurre de manera ligeramente diferente, y esto influye en cómo se forman los cristales coloidales en detalle», dice Markus Valtiner. Los nuevos hallazgos ahora se utilizarán para hacer que el trabajo de restauración sea más duradero y más específico.
