CONVERSA
VOCES EN LA CONSERVACIÓN
Nanomateriales en la preservacion del Patrimonio Construido
Por A. Elena Charola
Elena Charola
Research Scientist, Museum Conservation Institute, Smithsonian Institution
Introducción
La nanotecnología fue definida como “la comprensión y el control de la materia en dimensiones aproximadas de 1 a 100 nanómetros, donde fenómenos únicos permiten nuevas aplicaciones” de acuerdo a la Iniciativa Nacional de Nanotecnología (National Nanotechnology Initiative, NNI) (National Science and Technology Council 2014). Esto se debe a que el nano-tamaño les confiere propiedades diferentes de las que tiene el material a granel, permitiendo su uso en diversos campos, como ser medicina y tecnología informática, y en muchas industrias: cosméticos, textiles, revestimientos superficiales, en los que se incluye la preservación arquitectónica. La visión de la nanotecnología del 1999, que generó el establecimiento de la NNI y otros esfuerzos similares, dio por resultado que en los siguientes 10 años se generara un mercado mundial de unos doscientos cincuenta mil millones de dólares, pues la “nanotecnología se transformó en una tecnología aplicable en varios campos...incrementando la integración de la ciencia en nano-escala y la ingeniería... prometiendo aplicaciones en la industria, medicina y computación, para una mejor comprensión y conservación de la naturaleza.” (Roco 2011:427).
Se puede considerar que los nanomateriales en el campo de preservación y conservación empezaron a utilizarse en siglo 21 (Kagan et al. 2016). Para una reseña de los nanomateriales, su preparación y aplicaciones potenciales se puede ver el Trabajo de Klabunde et al (2010), mientras que las ventajas y desventajas de estos productos para la construcción y sus materiales fueron notadas por Pacheco-Torgal y Jalali (2011).
Hay muchísimos nanomateriales, este trabajo se limita a mencionar los más relevantes para el campo del patrimonio arquitectónico. Entre los primeros desarrollados se encuentra la nanocal (Ambrosi et al., 2001) que sirve como un tratamiento consolidante para pinturas murales, piedras calizas y morteros. La nanotitania, un material foto-catalítico que es útil para descomponer polucionantes aéreos y biomateriales, tiene importancia para obtener la auto-limpieza en superficies arquitectónicas (Maury Ramirez et al., 2010). La nano-sílice que sirve para preparar revestimientos super-hidrofóbicos de manera de reducir la deposición de polvo y otros contaminantes (Zhang et al. 2012). Y finalmente el uso de zinc, cobre o aleaciones similares para el control de la biocolonización en edificios (Wessel, 2003).
Nanocal
La nanocal se desarrolló en base al tratamiento tradicional de agua de cal, que fue muy usado sobre todo en Inglaterra para la consolidación de calizas (Ambrosi et al. 2001). Su mayor ventaja es la completa compatibilidad con el sustrato, ya que la consolidación resulta de la precipitación de carbonato de calcio, siendo su limitación una escasa penetración. Con la nanocal se puede obtener una mayor concentración de hidróxido de cal en dispersiones coloidales, el incremento de superficie de estas pequeñas partículas las hace más reactivas facilitando una mayor penetración en el sustrato, además de tener una estabilidad coloidal basada en las fuerzas electrostáticas de repulsión entre las mismas.
Una reseña de los métodos de síntesis de la nanocal y su aplicación como consolidante en calizas fue publicada por Otero et al. (2017), y Sierra Fernandez et al. (2017) que incluye también los hidróxidos de magnesio [Mg(OH)2], bario [Ba(OH)2] y estroncio [Sr(OH)2]; mientras que una guía práctica para su utilización fue recientemente publicada por Historic England (2017).
En 1996 se patentó el primer producto comercial, Nanorestore®, por el grupo italiano CSGI (Consorcio Interuniversitario per lo Sviluppo dei Sistemi a Grandi Interfasi, Universidad de Florencia, Italia), y, desde 2008 es producido por CTS Europa. Giorgi et al. (2000) fueron los primeros en publicar la preparación de dispersiones de nanocal en alcohol y su mayor efecto consolidante con el beneficio de reducir el “blanqueamiento” de la superficie. Subsiguientes publicaciones (Ambrosi et al., 2001; Baglioni et al. 2003) describen la eficaz consolidación de frescos y pinturas murales, incluyendo la reinserción de laminillas sin efectos negativos.
En 2006, se lanzó comercialmente el producto CaLoSil®, por la firma alemana IBZ-Salzchemie GmbH&Co KG. Y recientemente, un tercer producto comercial ha sido patentado por la Universidad de L’Aquila en Italia. Todos estos productos difieren en sus características, como ser tamaño de la partícula, solvente utilizado para la dispersión, etc., y por lo tanto deben ser probados sobre el material a ser consolidado, pues raramente son intercambiables (Jang, 2016; Borsoi, 2017).
Los productos comerciales varían en sus propiedades, tal como el tamaño de las nanopartículas, que puede variar entre 250-100 nm a 80-20 nm dependiendo del producto utilizado (Otero et al., 2018). Su efectividad depende del solvente o mezcla de solventes utilizado(s) en la formulación, y la porosidad del sustrato a la que se aplica (Taglieri et al., 2018.)
Nanotitania
En la naturaleza, el dióxido de titanio (TiO2) aparece bajo tres minerales distintos: rutilo, el más común, y dos meta-estables: anatasa y brookita. De los tres minerales, la anatasa es la que muestra
mayor actividad foto-catalítica bajo irradiación de luz ultravioleta (UV), que, en principio, aplicada sobre una superficie, puede mantenerla limpia al descomponer los contaminantes aéreos, como ser óxidos de nitrógeno o azufre, depósito de polvo y partículas, y previniendo la biocolonización. Esta propiedad puede ser mejorada mediante el dopaje, o sea la introducción de impurezas para modificar su estructura electrónica para incrementar su rendimiento (Klabunde, 2010; Chen y Mao, 2007).
Las superficies así tratadas se vuelven super-hidrofílicas lo que lleva a la formación de una fina película de agua reduciendo de esta manera la acumulación de partículas orgánicas, es decir, haciéndolas auto-limpiantes (Goffredo et al., 2014; Calia et al, 2017). La hidrofilicidad que se desarrolla bajo irradiación UV no conlleva una mayor absorción de agua del sustrato, ya que la película se desplaza por gravedad; y se ha confirmado que la absorción de agua de las superficies tratadas decrece en un 50% (Quagliarini et al., 2012)
Uno de los primeros ensayos de adicionar dióxido de titanio a una construcción fue la iglesia de Dios Padre Misericordioso, en Tor Tre Teste, Roma, que sería el símbolo del Jubileo 2000. Fue diseñada por el arquitecto Richard Meier, que ganó el concurso 1997. La construcción empezó al año siguiente y fue terminada y consagrada en el 2003. El diseño simboliza un barco con tres velas de hormigón prefabricado, utilizado también para el resto de la construcción (Figura 1a). Se utilizó cemento especial de la Italcementi (TX millenium), autolimpiante por la adición de titania, y mezclado con mármol de Carrara. En los primeros 3 a 5 años, noticias de esta iglesia aparecían sistemáticamente en el internet refiriendo al sistema autolimpiante, pero luego, dejaron de aparecer. Diez años más tarde, se publicó un artículo en Il Giornale dell ́Arte (S.Manganaro, 2013) que menciona que la iglesia sufrió problemas estructurales, deterioros en el hormigón tales como grietas, descamaciones, etc., así como la suciedad acumulada en las superficies y vidrios (Figura 1b), por lo que estaba en peores condiciones que los edificios circundantes que la pre-datan por al menos dos décadas.
Figura 1. (a) La iglesia de Dios Padre Misericordioso al poco tiempo de consagrada. (Foto cortesía de Claudia Renzi, en Wikipedia Commons). (b) La iglesia en 2018, quince años más tarde. La acumulación de suciedad es bien evidente. (Foto cortesía de Mathieu Menard, en Wikipedia).
Parte del problema de la acumulación de suciedad fue que la adición del dióxido de titanio se hizo en el cemento, de modo que sólo un pequeño porcentaje de este compuesto estaría en la superficie del hormigón, el resto quedando en el interior sin activar al no recibir luz. Referencias a los problemas en la construcción y adaptación del diseño original se pueden encontrar en Cardellicchio (2018).
Es importante tener en cuenta que la nanotitania, especialmente si aún se encuentra cristalina, contribuye a la citotoxicidad (Hattori et al., 2017); y el National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH, 2011) de los EEUU clasificó al TiO2 ultrafino como un potencial agente carcinogénico. Se recuerda que la nanotitania se utiliza en muchos campos, desde cosméticos hasta el sector de construcción, donde se la emplea para manufacturar de bloques de concreto, revestimientos, cerámicas y azulejos y para vidrios de ventanas (Bogdan et al., 2015; Munafò et al., 2017).
Los revestimientos comerciales basados en nanotitania tienen una limitación importante para la aplicación en el campo del patrimonio cultural, ya que requieren irradiación con luz UV (ƛ < 400 nm) para ser efectivos, teniendo en cuenta que solo un 3% de la luz que llega a la tierra es UV (Bogdan et al. 2015). Se están tratando de preparar algunas variaciones en laboratorio que podrían ser activadas por luz normal. Pero la efectividad de una capa formada por una dispersión coloidal también depende de la naturaleza y la superficie de la piedra (Gherardi et al., 2014, 2014a).
La durabilidad de la eficiencia foto-catalítica de materiales auto-limpiantes es importante; para el caso de cerámicas y vidrio, la alta temperatura necesaria para formar esta capa la hace relativamente estable (Anderson et al., 2016; Ganesh et al., 2012). Este no es el caso para materiales de construcción orgánicos tales como el cloruro de polivinilo (PVC) pues el tratamiento no puede ser aplicado de la misma manera y porque, fundamentalmente los materiales orgánicos mismos pueden ser descompuestos por fotocatálisis. Algunos productos comerciales que contienen nanotitania pueden ser aplicados directamente para inducir auto-limpieza, pero su durabilidad es de sólo unos 5 años (Chen y Poon, 2009). No obstante, si estas capas se aplican sobre revoques, su re- aplicación puede reducir la necesidad de reponer los revoques (Franzoni et al., 2014). Una de las mejores aplicaciones es para paneles solares, sobre todo si éstos se encuentran en zonas desérticas con mucha luz (Isaifan et al., 2017).
Nanosílice
La nanosílice se ha utilizado para mejorar las propiedades del hormigón, reduciendo la lixiviación de la cal, o como centro de nucleación para la hidratación del cemento, así como para llenar los poros de manera de reducir la porosidad total incrementando su resistencia mecánica (Singh et al, 2013). La cantidad de nanosílice a agregar a la pasta de cemento o del hormigón dependerá de su tipo, ya sea un polvo seco o una dispersión coloidal, así como del tamaño de las partículas. La mayor parte de los estudios se han centrado sobre la pasta de cemento, pero aún faltan los que seconcentren en el hormigón. El agregado de nanosílice para obtener hormigón de alto desempeño resulta en la reducción del consumo de cemento (Farzadnia et al, 2012) lo que ayuda en la protección del medio ambiente a la par que su mayor durabilidad reduciría los costos de manutención y reparación.
La nanosílice también ha sido utilizada en dispersiones coloidales acuosas como consolidante de materiales, pero no ha resultado muy eficaz, pues tiende a depositarse fundamentalmente en la superficie penetrando sólo unos milímetros en el interior. La influencia del líquido utilizado, agua o solvente, es importante, así como la humedad de los coloides cristalinos, la temperatura y humedad relativa (HR). Aparentemente, a menor HR, se obtiene una mejor penetración del producto (Sierra Fernandez et al., 2017).
La aplicación de películas de nanosílice, especialmente si están nano-estructuradas, resulta en superficies súper-hidrófobas que también son autolimpiantes, pues simulan el “efecto lotus”, o el de las alas de mariposa, o plumas de aves, aunque el mecanismo del movimiento de las gotas de agua sobre estas superficies difiera (Bormashenko et al, 2012). El problema reside en que se copia la “idea” del funcionamiento, que se basa en la nanorugosidad de la superficie, pero no se considera el tiempo. En la naturaleza, las hojas del lotus, así como de las muchas otras plantas que muestran este efecto, se renuevan periódicamente. Las mariposas, tienen una vida corta: por ejemplo la mariposa “Monarca” (Danaeus plexipuus) sólo vive unas 2 a 8 semanas. Las aves mantienen sus plumas regularmente: el “Azulón” (Anas platyrhynchos) vive unos 10 años, y gasta un 10% de su tiempo en acicalarse las plumas.
Efectos similares se pueden obtener aplicando una película de partículas de nanosílice a tejas (Carrascosa et al, 2014) o simplemente utilizando un producto comercial basado en un sol de sílice oligomérica, es decir una dispersión coloidal de un sólido en un líquido que aparece uniforme, pues las partículas son tan pequeñas que no se distinguen (Elhaddad y Mosquera, 2014). El sistema se puede mejorar incluyendo también nanotitania (Esteves et al, 2014).
Nanocompuestos metálicos biocidas
Es conocido que algunos metales, o sus óxidos, tienen efecto biocida, tales como la plata (Ag), cobre (Cu), zinc (Zn) o estaño (Sn), en orden decreciente aproximado. El cobre tiene la desventaja de colorear el sustrato de azul o verde. El zinc es el que presenta menos problemas, siendo el estaño más tóxico. La efectividad del bronce, aleación de cobre y zinc, se puede observar fácilmente en pequeños detalles, tales como los mostrados en la Figura 2.
Figura 2.(a) Efecto biocida de las letras de bronce que mantiene el granito limpio, evitando la biocolonización superficial, Cementerio de Flores (Foto cortesía de Marcelo Magadán); (b) efecto similar de la estatua de bronce que limpia la zona de la escalera directamente en línea con ella, Cementerio Prazeres, Lisboa.
Un buen ejemplo es el techo del Stanford Mausoleum, localizado al noroeste del campus de Stanford University en su Arboretum. El edificio neoclásico tiene unos 8 x 12 m de planta y fue construido en granito gris (incluído su techo) en 1889. En 1995, había filtraciones de agua y el techo tenía una importante colonización de líquenes crustosos. En 1997 se llevó a cabo una intervención de conservación. Todo el edificio recibió un hidro-lavado. Para eliminar los líquenes del techo se utilizó una solución de ácidos diluida y, una vez limpio, se instaló una tira de zinc doblada en su cresta (Wessel, 2003). En 2009, el techo fue inspeccionado para evaluar la efectividad del tratamiento y se encontró que estaba perfectamente limpio, excepto por unas pocas manchas de deyecciones de ave, confirmando la eficiencia de la tira de zinc en evitar la biocolonización (Wessel, 2011).
En base a estos buenos resultados, se instalaron unas tiras de zinc metálico en algunos bloques seleccionados del National Museum of the American Indian, Smithsonian Institution, en Washington, D.C. Lamentablemente, los instaladores no tenían la experiencia necesaria para seleccionar los bloques en los que este sistema sería más eficaz, o sea aquellos en que el agua de lluvia moja la tira de zinc uniformemente, disuelve algunos iones y los arrastra en su recorrido de modo de eliminar y prevenir la biocolonización. Además, el problema es más complejo pues las superficies exteriores de los bloques tienen una rugosidad sustancial que es parte del diseño original del edificio, lo que complica su mantención. Es importante recordar que eliminar biocolonización existente requiere al menos unos 8 a 10 años después de la instalación de las tiras de zinc, por lo que se recomienda en general, aplicar primero un biocida, y luego instalar las tiras. Nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) pueden ser producidas con una alta superficie específica y con estructuras cristalinas únicas, y sus propiedades antibacterianas han sido confirmadas
(Fernandez et al, 2018), así como su efectividad antimicótica (Sharma et al., 2010). Estas propiedades se han utilizado para la formulación de pinturas resistentes a la biocolonización (Salazar Castro et al, 2018).
Consideraciones finales
De los cuatro nanomateriales, la nanocal tiene un claro objetivo: la consolidación de materiales calcáreos, pero su implementación no es sencilla, pues el tamaño de las partículas, el solvente utilizado para su aplicación y la porosidad del sustrato, influencian la efectividad del producto (Otero et al., 2008).
En el caso de la nanotitania, los films aplicados pueden ser efectivos, fundamentalmente para vidrios, pero sobre otros materiales no han dado resultados tan satisfactorios. Además, se debe tener en cuenta su toxicidad potencial, ya que este material se usa no solo en la construcción sino también en otros campos como la cosmética, la industria alimenticia, etc. Otra aplicación es su agregado a ceniza volante, un residuo industrial, para utilizarlo como un revestimiento para disminuir la absorción de energía térmica, sirviendo además como desinfectante (Sikora et al., 2015).
La nanosílice también tiene muchos usos potenciales, incluso junto con la nanotitania para reciclar restos de vidrios coloreados, o para la producción de morteros de cemento auto-limpiantes con vidrio molido reemplazando la arena. Las películas de nanosílice estructurada resultan en superficies superhidrofóbicas pero su efectividad es de corto plazo.
Los nanocompuestos metálicos prometen una buena efectividad como biocidas, pero es necesario adaptarlos a cada caso específico.
Finalmente, se ha de recalcar que la manutención regular y sistemática es imprescindible para la futura preservación de nuestro patrimonio arquitectónico. Y para poder implementarla correctamente es necesario un monitoreo regular; esta es la regla fundamental del M&M: Monitoreo y Manutención.
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