El carburo de silicio(SiC), también llamado carborundo, tiene la misma estructura que el diamante y una dureza no muy diferente (entre 9 y 9,5 en la escala de Mohs), por lo que se utiliza para fabricar lijas o discos de corte de metal. No existe en la naturaleza en proporciones significativas. Tiene una característica muy particular: su gran variedad de politipos, es decir, de formas de disponerse los átomos de C y Si en la estructura cristalina. Se conocen más de 250[1] (en la figura 5.28-izqda. se ha representado una de ellas, de estructura diamantina).
Se puede sintetizar a partir de una mezcla de SiO2 obtenido de arenas o cuarzo de alta pureza y carbón de coque; la mezcla se trata en un arco eléctrico y la reacción que se produce es esta:
SiO2 + 3 C ⟶ SiC + 2 CO [5.7]
Pero existe una manea alternativa y ecológica de sintetizar este compuesto: a partir de algún material biológico que contenga carbono (normalmente madera) y silicio o un compuesto que contenga a este elemento. De esa manera se obtiene SiC biomórfico, así llamado porque las piezas que se obtienen presentan la estructura interna y a menudo la forma externa del material biológico del que se parte.
Los componentes principales de la madera son los polisacáridos celulosa y hemicelulosa y la lignina, que es una resina compleja que se asemeja a los polifenoles. Como componentes secundarios la madera contiene compuestos macromoleculares orgánicos (grasas, aceites, resinas, azúcares, alcaloides…) y minerales. De la masa total de un trozo de madera, aproximadamente el 50% es carbono.
Si la madera se calienta a temperaturas suficientemente altas en una atmósfera inerte sus moléculas se descomponen y lo que queda es un esqueleto de carbono con la misma forma, interna y externa, que la pieza de la que se partió. En este esqueleto o preforma se puede infiltrar silicio para obtener SiC biomórfico. En la figura 5.29-dcha. se muestra una imagen microscópica de carburo de silicio biomórfico y su estructura, que es la muy parecida a la del material de partida.
Se han ideado muchos procedimientos para obtener este material. Si se parte de un trozo de madera, esta primero se seca a menos de 100 oC durante un día aproximadamente. Luego se piroliza, es decir, se somete a calor en atmósfera inerte, por ejemplo de N2. Conviene realizar el calentamiento lentamente para mantener la forma. Si no se hace así se pueden producir contracciones anisotrópicas (o sea, no iguales en todas las direcciones). A continuación hay que infiltrar el silicio.
Hay variadas vía de hacer la infiltración. Una es sencillamente exponer la preforma a vapor de silicio durante varias horas. Este vapor se puede generar fundiendo Si en polvo a una temperatura de unos 1600 oC (el punto de fusión del silicio es 1414 oC). El vapor de Si penetra en la madera previamente pirolizada, que se coloca en dirección axial para que el vapor penetre por los poros y canales, especialmente por las células traqueidas, que son los conductos por donde circula la savia y que están conectadas entre sí por las punteaduras (apartado 9.4). La reacción es muy simple:
Si + C ⟶ SiC [5.8]
También se puede infiltrar Si líquido en vacío a una temperatura suficientemente alta como para que este fluido tenga una viscosidad muy baja y le sea fácil bañar el interior de la madera (hay que tener en cuenta que la reacción [5.8] es exotérmica, lo que elevará la temperatura). Al final del proceso debe eliminarse el exceso de silicio porque puede alterar las propiedades mecánicas del material obtenido[4]; para ello se emplea una mezcla de los ácidos HF y HNO3[5], que generan SiF4 gaseoso:
3 Si + 12 HF + 4 HNO3 ⟶ 3 SiF4 + 4 NO + 8 H2O [5.9]
Una tercera opción es infiltrar compuestos químicos que contienen silicio, como poli(metilcarbosilano) disuelto en heptano[6], monóxido de silicio (SiO, gas), nanopartículas de SiO2 o líquidos como el metiltriclorosilano (CH3SiCl3), el tetraetoxisilano o el polimetilsiloxano[7].
Dependiendo del tipo de madera (ya sea proveniente directamente de árboles como pino, haya, eucalipto, sapeli, abeto, arce, roble, bambú…, o bien madera aglomerada o contrachapada o reciclada) se obtiene un carburo de silicio biomorfico de diversa calidad, más o menos poroso, con diferentes tamaños de canales y distinta distribución de estos[8]. Pero además de madera se puede partir de tela, fibras naturales, papel, cartón…
Este material ha encontrado aplicaciones como filtro de gases, sustrato de sensores, materiales de aislamiento, soportes de catalizadores (por ejemplo, para la combustión catalítica de hidrógeno[9])… Tiene la gran ventaja de la facilidad de su obtención y su bajo coste. Es resistente a las altas temperaturas y a la corrosión. Se puede mecanizar fácilmente en formas tridimensionales complejas de diferente porosidad.
En medicina se está prestando mucho interés al carburo de silicio biomórfico como material para implantes óseos porque se ha comprobado que su resistencia a la compresión y su densidad son parecidas a las del hueso. Otras propiedades mecánicas del SiC biomórfico también lo hacen adecuado para reemplazar hueso. Además, se ha comprobado su biocompatibilidad, pues no afecta significativamente a la actividad celular, pudiendo en cambio promover el crecimiento de osteoblastos. Para mejorar el material en este sentido se puede recubrir superficialmente con vidrio bioactivo (apartado 4.5)[10] o bien con hidroxilapatito o con hidroxilapatito y dióxido de circonio[11].
[1] R. Cheung. Silicon carbide microelectromechanical systems for harsh environments. Imperial College Press (2006).
[2] Imagen: SiC p1390066.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:SiC_p1390066.jpg&oldid=685613864.
[3] Imagen adaptada de L. Wang et al. Materials 11 (2018) 2430. https://doi.org/10.3390/ma11122430.
[4] M. J. López Robledo et al. Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidrio 44 (2005) 318-323.
[5] A. J. Contreras Sánchez. Sustituto del hueso: El carburo de silicio biomórfico como biomaterial. Ingeniería de Materiales (blog) (2012). https://ingenieriademateriales.wordpress.com/2012/08/19/sustituto-del-hueso-el-carburo-de-silicio-biomorfico-como-biomaterial/.
[6] A. T. Harris y A. R. Maddocks. Mater. Sci. Technol. 26 (2010) 375-378. https://doi.org/10.1179/174328409X418982.
[7] H. Sieber (op. cit.).
[8] G. M. Arzac et al. RSC Adv. 6 (2016) 66373-66384. https://doi.org/10.1039/C6RA09127J.
[9] G. M. Arzac (op. cit.).
[10] A. J. Contreras Sánchez (op. cit.).
[11] O. Gryshkov et al. Mater. Sci. Eng. C 68 (2016) 143-152. https://doi.org/10.1016/j.msec.2016.05.113.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
