Crean aplicaciones de alta tecnología con bismuto

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Crean aplicaciones de alta tecnología con bismuto

México se encuentra en el tercer lugar a nivel mundial en la producción de bismuto y es uno de los pocos países que cuenta con reservas abundantes de bismutina, un sulfuro de bismuto.

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En el país su explotación se enfoca a la venta de bismuto como materia prima, aunque podría generar un mayor valor comercial en forma de compuestos cerámicos inteligentes, con base en óxido de bismuto, y emplearlo en el desarrollo de dispositivos de alto valor agregado, explicó Juan Muñoz Saldaña, investigador de la Unidad Querétaro del Cinvestav.

Desde el proceso de oxidación del bismuto -en sus fases beta, delta y etapas de alta temperatura- presenta muchas oportunidades, ya que al estabilizarlas a temperatura ambiente se tiene el mayor atractivo para el desarrollo de aplicaciones tecnológicas para remediación ambiental, porque son altamente fotocatalíticas y se podrían emplear en la degradación de contaminantes orgánicos, medicamentos, pesticidas en suelos, ríos, lagos o aire; además, mediante su fotolisis los óxidos de bismuto beta o delta sirven para generación de hidrógeno como energía alternativa.

Otras oportunidades que ofrece el óxido de bismuto en el tema de energía alternativa es su papel como electrolito o cátodo de celdas de combustible cerámicas de mediana temperatura (solid oxide fuel cells o SOFC) para generación de energía eléctrica; en su fase delta funciona como membrana electrolítica, donde se dan fenómenos de conductividad de iones de oxígeno.

¿Qué es el bismuto?

Químicamente, el bismuto se parece a los elementos que le preceden en el grupo, antimonio y arsénico (aunque estos se suelen considerar como semimetales). El bismuto se obtiene como subproducto del refinado de cobre (Cu), plomo (Pb) y estaño (Sn). Es el metal con mayor diamagnetismo y, después del mercurio, es el elemento con menor conductividad térmica.

El principal uso del bismuto está en la manufactura de aleaciones de bajo punto de fusión, que se emplean en partes fundibles de rociadoras automáticas, soldaduras especiales, sellos de seguridad para cilindros de gas comprimido y en apagadores automáticos de calentadores de agua eléctricos y de gas. Algunas aleaciones de bismuto que se expanden al congelarse se utilizan en fundición y tipos metálicos.

Un ejemplo más de esta aplicación es su empleo con el titanato de bismuto modificado con sodio, potasio y bario con estructura tipo perovskita que se puede utilizar como recolector de energía piezoeléctrica, es decir, transformar energía mecánica en eléctrica, que es un concepto innovador de energías limpias.

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En la Unidad Querétaro del Cinvestav se explora la cadena de valor completa en torno a estos materiales, que incluye el procesamiento y sus propiedades, tanto del óxido de bismuto, como de soluciones sólidas entre este material y otros óxidos metálicos, así como en estructuras complejas como las perovskitas y sus aplicaciones.

Una aplicación adicional del óxido de bismuto es funcionalizando biocerámicos de segunda o tercera generación, por ejemplo, la hidroxiapatita para aplicaciones biomédicas. “Los bioimplantes altamente bioactivos es una aplicación importante para ayudar al sistema musculo esquelético en caso de fracturas o enfermedades degenerativas. Estamos desarrollando los protocolos científicos y tecnológicos para su diseño y aplicación”, señaló Muñoz Saldaña, quien también es el responsable técnico del Laboratorio Nacional de Proyección Térmica (CENAPROT).

La hidroxiapatita de fuentes biogénicas se puede fabricar aprovechando material de huesos de diferentes modelos animales; se usa la parte cortical de hueso de bovino para obtener el material inorgánico, que por su calidad y propiedades se utiliza como base en recubrimientos por proyección térmica.

Además, la hidroxiapatita de origen natural combinada con vidrios bioactivos, que también se fabrican en el laboratorio dan lugar a biocerámicos de tercera generación como la silicocarnotita o nagelschmidtita, éstos biocerámicos son silicofosfatos de calcio y sodio, que ofrecen propiedades más allá la biocompatibilidad y desde su bioactividad se tiene una muy buena incorporación al hueso humano, en el caso de fractura o enfermedades graves como cáncer de hueso u osteosarcomas.

Los osteosarcomas son padecimientos que difícilmente pueden ser atacados con medicamentos por vía oral, por lo que los biocerámicos que se fabrican en CENAPROT son una alternativa porque se pueden utilizar en forma de relleno óseo o en nanopartículas, que se aglomeran en forma de micro esferas para adsorber fármacos liberados de forma controlada para el tratamiento.

“En estas aplicaciones el óxido de bismuto juega un papel importante porque es un material radiopaco y en pequeñas cantidades mezclado con los biocerámicos permite monitorear la evolución del tejido óseo en imágenes diagnósticas por medio de radiografías”, sostuvo Juan Muñoz.

Un desafío en el área de implantes biomédicos es aumentar la calidad y esperanza de vida de los pacientes, para ello Cinvestav ha propuesto un nuevo sistema compuesto por vidrio bioactivo y un piezoeléctrico (HAp) base bismuto, que se constituye como biomaterial multifuncional de tercera generación, mediante una combinación sinérgica de propiedades piezoeléctricas, mecánicas y biológicas para aplicaciones en ingeniería del tejido óseo.

Los investigadores trabajan en solicitudes de patentes sobre materiales, procesos o fabricación de recubrimientos, con las técnicas de rociado térmico por combustión de alta velocidad supersónicas (high velocity oxy-fuel) de hidroxiapatita y sobre la síntesis de silicocarnotita y nagelschmidtita con fuentes biogénicas.

Cinvestav y CENAPROT desarrollan un proceso para obtención masiva de óxidos de bismuto, que tiene excelentes propiedades como fotocatalizador capacidad de aprovechar la mayoría de los fotones de luz en el espectro visible y ser utilizados comercialmente de manera inmediata para remediar la contaminación ambiental y ya se encuentra en fase de prueba.

“Estamos buscando inversionistas para que esta tecnología y sus aplicaciones sea útil a la sociedad, por ello es necesario pasar de un país proveedor de materia prima, como el bismuto, a una nación que desarrolla aplicaciones de alto valor agregado a partir de sus recursos naturales, que es posible mediante la investigación y conocimiento desarrollado en instituciones como Cinvestav”, señaló Juan Muñoz Saldaña. alt

Otra aplicación importante es la manufactura de compuestos farmacéuticos.

  • Aleado junto a otros metales como: estaño, cadmio. Origina materiales de bajo punto de fusión utilizadas en sistemas de detección y extinción de incendios.

  • Aleado con manganeso se obtiene el "bismanol", usado para la fabricación de imanes permanentes muy potentes.

  • Se emplea en termopares y como "carrier" de 235U o 237U del combustible de reactores nucleares.

  • Se emplea como catalizador en la obtención de fibras acrílicas.

  • El óxido de bismuto (III) se emplea para fabricar vidrios de alto índice de refracción y esmaltes de color amarillo.

  • El oxicloruro de bismuto, BiOCl, se emplea en cosmética y en fabricación de perlas artificiales.
  • En general el uso del Bismuto lo encontramos en la producción de aceros maquinables, cosméticos, municiones, lubricantes, en superconductores, lámparas fluorescentes, electrónica, en los pigmentos, en la coloración en cerámica, etc.

Fuentes:

https://camimex.org.mx/index.php/secciones1/sala-de-prensa/uso-de-los-metales/bismuto/

https://conexion.cinvestav.mx/Publicaciones/crean-aplicaciones-de-alta-tecnolog237a-con-bismuto

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