Agencias, Ciudad de México.- Investigadores de Stanford han desarrollado un gel potenciador del agua pensad para rociarse sobre hogares e infraestructura crítica para ayudar a evitar que se quemen durante los incendios forestales.
La investigación, publicada en Advanced Materials, muestra que los nuevos geles duran más y son significativamente más efectivos que los geles comerciales existentes.
“En condiciones típicas de incendios forestales, los geles potenciadores del agua actuales se secan en 45 minutos”, dijo en un comunicado Eric Appel, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Facultad de Ingeniería, quien es el autor principal del artículo. “Hemos desarrollado un gel que tendría una ventana de aplicación más amplia (se puede rociar más adelante del incendio y aún así obtener el beneficio de la protección) y funcionará mejor cuando llegue el incendio.
Los geles potenciadores del agua están hechos de polímeros superabsorbentes, similar al polvo absorbente que se encuentra en los pañales desechables. Mezclados con agua y rociados sobre un edificio, se hinchan hasta convertirse en una sustancia gelatinosa que se adhiere al exterior de la estructura, creando un escudo de espeso y húmedo. Pero las condiciones en las proximidades de un incendio forestal son extremadamente secas: las temperaturas pueden estar cerca de los 100 grados, con vientos fuertes y cero por ciento de humedad, e incluso el agua atrapada en un gel se evapora bastante rápido.
En el gel diseñado por Appel y sus colegas, el agua es solo la primera capa de protección. Además de un polímero a base de celulosa, el gel contiene partículas de sílice, que quedan atrás cuando los geles se someten al calor. “Hemos descubierto un fenómeno único en el que un hidrogel suave y blando se transforma sin problemas en un escudo de aerogel robusto bajo el calor, ofreciendo una protección mejorada y duradera contra los incendios forestales. Este avance respetuoso con el medio ambiente supera las soluciones comerciales actuales, ofreciendo una defensa superior y escalable contra los incendios forestales”, dijo el autor principal del estudio, Changxin Dong.
“Cuando el agua hierve y toda la celulosa se quema, nos quedamos con las partículas de sílice reunidas en una espuma”, dijo Appel. “Esa espuma es altamente aislante y termina dispersando todo el calor, protegiendo completamente el sustrato debajo de ella”.
El sílice forma un aerogel, una estructura sólida y porosa que es un aislante especialmente bueno. Se utilizan aerogeles de sílice similares en aplicaciones espaciales porque son extremadamente ligeros y pueden evitar la mayoría de los métodos de transferencia de calor.
Eureka! 👩🔬 A happy accident in @AppelGroup's lab led to the discovery of a gel that can protect homes from fire longer than existing solutions.
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Los investigadores probaron varias formulaciones de su nuevo gel aplicándolos a piezas de madera contrachapada y exponiéndolos a la llama directa de un soplete de gas, que arde a una temperatura considerablemente más alta que un incendio forestal. Su fórmula más eficaz duró más de 7 minutos antes de que la placa comenzara a carbonizarse. Cuando probaron de la misma manera un gel potenciador del agua disponible en el mercado, protegió la madera contrachapada durante menos de 90 segundos.
“Los geles tradicionales no funcionan una vez que se secan”, dijo Appel. “Nuestros materiales forman este aerogel de sílice cuando se exponen al fuego que continúa protegiendo los sustratos tratados después de que se haya evaporado toda el agua. Estos materiales se pueden lavar fácilmente una vez que el fuego se ha apagado”.
Teniendo en cuenta la creciente crisis de incendios forestales, necesitamos urgentemente soluciones innovadoras para la prevención y protección contra incendios forestales. Los geles potenciadores del agua son herramientas prometedoras para la extinción de incendios debido a su notable humectación y propiedades viscoelásticas favorables, que desempeñan un papel fundamental en la reducción del riesgo de ignición y la mejora de la adherencia a la superficie.
Desafortunadamente, un inconveniente importante radica en el hecho de que los hidrogeles potenciadores del agua tradicionales pierden su eficacia cuando se exponen al calor elevado y los fuertes vientos que son habituales durante los incendios forestales, lo que limita drásticamente su utilidad práctica. Para abordar esta limitación crítica, nuestra investigación ha presentado un nuevo diseño de hidrogel activable por calor que aprovecha las interacciones dinámicas y multivalentes de partículas de polímero entre biopolímeros celulósicos y partículas de sílice coloidal que se pueden fabricar de una manera fácil y escalable.
Cuando se exponen al calor, estos hidrogeles experimentan una transformación a medida que el gel se seca por el calor aplicado, convirtiéndose en un aerogel térmicamente aislante in situ. Esta característica innovadora magnifica las capacidades protectoras de estos materiales como recubrimientos sobre sustratos, asegurando una eficacia continua contra la ignición incluso cuando están desecados.
El uso de derivados de celulosa, basados en el biopolímero más abundante en la tierra, garantiza la rentabilidad y la seguridad ambiental de estos materiales. El mecanismo de fuerte reticulación física entre estos biopolímeros celulósicos y partículas de sílice coloidal ofrece una amplia gama de capacidad de ajuste en las propiedades mecánicas al tiempo que permite una adherencia excepcional a los sustratos y una resistencia al fuego superior a la de los geles potenciadores del agua tradicionales. Esta versatilidad posiciona a estos materiales como geles potenciadores del agua extraordinariamente eficaces.
A través del ajuste de las interacciones entre polímeros y partículas, podríamos superar los desafíos del envejecimiento irreversible observado en algunos sistemas de hidrogel existentes, lo que permitiría la formulación de materiales con propiedades mejoradas para el uso práctico. Estos materiales innovadores, bioinspirados y ambientalmente benignos tienen el potencial de proteger vidas, propiedades y el medio ambiente de los incendios forestales extremos.
Check out the @Stanford news coverage of our work on water-enhancing gels with a unique ability to form silica aerogels upon heat exposure for protection of critical infrastructure during catastrophic wildfire https://t.co/e27RntRaSH https://t.co/kWK57L43U4
— Eric A. Appel (@AppelGroup) August 25, 2024
