Una textura inspirada en la piel de serpiente reduce el desgaste de piezas industriales

UNAL/DICYT Este desarrollo, que usa la biomimética –ciencia que estudia la naturaleza para solucionar problemas cotidianos de la industria y la vida humana–, permitió que investigadores de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín hallaran formas de controlar la fricción y el desgaste en motores y otras piezas industriales.

“Es importante aclarar que no usamos al animal, simplemente la piel que mudó, algo que hacen cada cierto tiempo”, precisó Efraín Zuluaga Díaz, magíster en Ingeniería de Materiales y Procesos de la UNAL Sede Medellín, quien explicó que esta serpiente es reconocida por vivir en ambientes boscosos y matorrales.

La piel fue caracterizada para apreciar mejor los detalles de sus formas, parámetros y propiedades, mediante fotografía por medio de microscopía óptica; luego se hizo una clasificación por secciones y después se analizó en mayor detalle implementando equipos como microscopio electrónico de barrido (SEM) y microscopio de fuerza atómica (AFM).

El análisis se centró en el estudio de las propiedades morfológicas, topográficas y tribológicas (coeficientes de fricción) de las escamas ventrales de la serpiente (ubicadas en el vientre). En las observaciones se encontraron unas microestructuras llamadas fibrillas o denticulaciones, distribuidas de manera ordenada en forma de ondas y presentan relieves con alturas entre 40 y 60 micras, que sirvieron como patrones de referencia.

“Con ese análisis, llevamos unos diseños a escala para aplicarlos en la superficie metálica, texturas determinísticas, es decir con patrones que no son aleatorios sino planeados para cumplir una función. Ahí empezó la fase más compleja”, contó el magíster Zuluaga.

Pruebas de acero

El metal elegido para texturizar fue el SAE 52100, un tipo de acero con alto contenido de carbono que por sus propiedades se emplea en rodamientos. El problema es que las fresas (herramientas usadas para el grabado) y algunos instrumentos necesarios para alcanzar el grado de dureza y detalle que buscaban no se conseguían en Colombia y tuvieron que importarlos.

Pero la espera valió la pena: el resultado superó por mucho las expectativas del equipo investigador. “Esperábamos disminuciones del coeficiente de fricción de un 15%, pero logramos un 42% en condiciones en seco. Eso es impresionante, aunque sea en pruebas de laboratorio”, agregó.

Y aunque los ensayos se hicieron con acero de rodamientos, estos texturizados también se pueden emplear para aplicarlos en sistemas de transporte automotor y aeronáutico, entre otros. De hecho, ya se está trabajando para probarlo en sistemas ferroviarios gracias a los resultados del trabajo de la doctora Paula Cuervo, otra investigadora del grupo de Tribología y Superficies de la UNAL Sede Medellín, al cual está adscrito el magíster Zuluaga.

La reducción en el coeficiente de fricción trae múltiples beneficios en los motores y piezas: mejora la potencia y el desempeño, reduce los costos de mantenimiento, aumenta la vida útil del material y los lubricantes y, en el caso de los sistemas de transporte, ayuda indirectamente con el medioambiente, pues a mayor fricción hay mayor consumo de combustibles, lo que a la vez incrementa la generación de gases.

Sebastián Rudas, docente de la Institución Universitaria Pascual Bravo y uno de los asesores de este trabajo, señaló que aunque en el mundo hay más investigaciones sobre formas de controlar la fricción y el desgaste, el trabajo del magíster Zuluaga es novedoso porque se inspiró en la naturaleza.

“Esto fue bioinspiración, no es que la textura de la piel se haya replicado tal cual al metal, sino que se buscaron unos parámetros escalables a nivel de mecanizado y de ahí surgieron diseños de texturas muy particulares de los que no hay mucha literatura”, observó el magíster Zuluaga.

Agregó que “una vez concluidas las pruebas en laboratorio, seguimos trabajando en el grupo de investigación para probar estos desarrollos en un motor diésel instrumentado, buscando perfeccionarlo y que en un futuro cercano se pueda aplicar a escala industrial".