Los investigadores de la EPFL han sido pioneros en un método de impresión 3D que hace crecer metales y cerámicas dentro de un gel a base de agua, dando como resultado construcciones excepcionalmente densas, pero intrincadas, para tecnologías energéticas, biomédicas y de detección de próxima generación.
La fotopolimerización en cuba es una técnica de impresión 3D que consiste en verter una resina fotosensible en una cuba y luego endurecerla selectivamente hasta obtener la forma deseada mediante láser o luz ultravioleta. Sin embargo, este proceso se utiliza principalmente solo con polímeros fotosensibles, lo que limita sus aplicaciones.
Si bien se han desarrollado algunos métodos de impresión 3D para convertir estos polímeros impresos en metales y cerámicas más resistentes, Daryl Yee, director del Laboratorio de Química de Materiales y Fabricación de la Escuela de Ingeniería de la EPFL, explica que los materiales producidos con estas técnicas presentan graves inconvenientes estructurales. «Estos materiales tienden a ser porosos, lo que reduce significativamente su resistencia, y las piezas sufren una contracción excesiva, lo que provoca deformaciones», afirma.
Ahora, Yee y su equipo han publicado un artículo en Advanced Materials que describe una solución única a este problema. En lugar de usar luz para endurecer una resina preinfundida con precursores metálicos, como se hacía con métodos anteriores, el equipo de la EPFL primero crea un andamiaje 3D a partir de un simple gel a base de agua llamado hidrogel. Después, infunden este hidrogel «en blanco» con sales metálicas, antes de convertirlas químicamente en nanopartículas metálicas que permean la estructura. Este proceso puede repetirse para obtener compuestos con concentraciones muy altas de metal.
Tras 5-10 ciclos de crecimiento, un último paso de calentamiento quema el hidrogel restante, dejando el producto final: un objeto metálico o cerámico con la forma del polímero original, con una densidad y resistencia sin precedentes. Dado que los hidrogeles solo se infunden con las sales metálicas tras su fabricación, esta técnica permite transformar un único hidrogel en múltiples compuestos, cerámicas o metales diferentes.
“Nuestro trabajo no solo permite la fabricación de metales y cerámicas de alta calidad con un proceso de impresión 3D accesible y de bajo costo; también resalta un nuevo paradigma en la fabricación aditiva donde la selección del material ocurre después de la impresión 3D, en lugar de antes”, resume Yee.
Apuntando a arquitecturas 3D avanzadas
Para su estudio, el equipo fabricó intrincadas formas reticulares matemáticas llamadas giroides a partir de hierro, plata y cobre, demostrando la capacidad de su técnica para producir estructuras robustas pero complejas. Para comprobar la resistencia de sus materiales, utilizaron un dispositivo llamado máquina de pruebas universal para aplicar presión creciente a los giroides.
Nuestro trabajo destaca un nuevo paradigma en la fabricación aditiva donde la selección del material ocurre después de la impresión 3D, en lugar de antes.Daryl Yee, jefe del laboratorio ALCHEMY
“Nuestros materiales podrían soportar 20 veces más presión en comparación con los producidos con métodos anteriores, mientras que exhibieron solo un 20% de contracción frente al 60-90%”, dice el estudiante de doctorado y primer autor Yiming Ji.
Los científicos afirman que su técnica es especialmente interesante para la fabricación de arquitecturas 3D avanzadas que deben ser a la vez resistentes, ligeras y complejas, como sensores, dispositivos biomédicos o dispositivos para la conversión y el almacenamiento de energía. Por ejemplo, los catalizadores metálicos son esenciales para las reacciones que convierten la energía química en electricidad. Otras aplicaciones podrían incluir metales de gran área superficial con propiedades de refrigeración avanzadas para tecnologías energéticas.
De cara al futuro, el equipo trabaja en la mejora de su proceso para facilitar su adopción por parte de la industria, en particular aumentando la densidad de sus materiales. Otro objetivo es la velocidad: los repetidos pasos de infusión, si bien son esenciales para producir materiales más resistentes, hacen que el método sea más lento en comparación con otras técnicas de impresión 3D para convertir polímeros en metales. «Ya estamos trabajando para reducir el tiempo total de procesamiento mediante el uso de un robot para automatizar estos pasos», afirma Yee.
Referencias
Y. Ji, Y. Hong, DR Bhandari y DW Yee, “Fotopolimerización en cuba con hidrogel de cerámicas y metales con baja contracción mediante precipitación por infusión repetida”. Adv. Mater. (2025): e04951. https://doi.org/10.1002/adma.202504951
EPFL News. C. L. Traducido al español
