Un dispositivo produce delgadas películas de materiales solubles con diversas aplicaciones

Es un aparato desarrollado en Brasil por una startup paulista con el apoyo de la FAPESP, y permite generar finas capas destinadas a la fabricación de células solares de perovskitas y biomateriales con utilización en la elaboración de apósitos, la regeneración de tejidos y en nuevas formas de administración de fármacos y cosméticos

Agência FAPESP – Investigadores de la startup Autocoat, con sede en la Incubadora de Empresas de Base Tecnológica (Incamp) de la Universidad de Campinas (Unicamp), en el interior de São Paulo (Brasil), desarrollaron un equipo capaz de producir películas delgadas a escala de laboratorio a partir de materiales solubles con potencial aplicación en investigaciones en diversas áreas. Algunos ejemplos son películas con propiedades adecuadas para la fabricación de células solares de perovskitas –un prometedor tipo de material para la generación de energía fotovoltaica– y biomateriales para apósitos y regeneración tisular, aparte de nuevas formas de aplicación de fármacos y cosméticos.

Este aparato, concebido en el marco de un proyecto apoyado por el Programa de Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (PIPE) de la FAPESP, se basa en una técnica conocida como blade coating. Con este método, se emplea una lámina para depositar materiales solubilizados en un solvente sobre una superficie rígida o flexible. La lámina se mueve entonces sobre la solución dispersándola uniformemente sobre la superficie y forma las delgadas películas.

El BCC-02, tal el nombre que se le ha dado al dispositivo, es capaz de producir capas de espesores que pueden variar de 10 nanómetros —cada nanómetro corresponde a una millonésima parte de un milímetro— a decenas de micrones, “con una calidad análoga a las que se obtienen mediante spin coating”, destaca la química Viviane Nogueira Hamanaka, socia fundadora de la startup, en alusión a uno de los métodos más conocidos de producción de micropelículas.

En el spin coating, el material en solución se deposita en el centro de una superficie lisa mientras ésta gira a alta velocidad, de manera tal que la fuerza centrífuga dispersa la solución sobre la superficie y forma así la fina película. “El problema reside en que se pierde una buena parte del material en ese proceso, toda vez que la rotación lo arroja afuera”, explica Nogueira Hamanaka. “También se hace difícil lograr reproducir las características morfológicas de las películas producidas mediante spin coating a escala industrial”, dice la investigadora.

Según la investigadora, el BCC-02 es más eficiente debido a que emplea hasta 20 veces menos material soluble, el cual también se aprovecha al máximo en la producción de esas capas finas cuyas dimensiones en general son de hasta 7 x 7 centímetros. “Las películas elaboradas con este aparato exhiben a su vez una excelente uniformidad y un alto grado de reproducibilidad”, afirma la química.

Una tecnología surgida en la universidad

Autocoat nació en el año 2020, durante el doctorado en ingeniería eléctrica de Nogueira Hamanaka en la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP). “Yo trabajaba con métodos de producción de los diodos orgánicos emisores de luz [oledes], utilizados en pantallas de televisores, celulares y computadoras”, dice Nogueira Hamanaka.

La investigadora explica que a estos materiales suele fabricárselos mediante métodos de depósito físico en fase de vapor de pequeñas moléculas orgánicas, un proceso caro y de bajo rendimiento. “Le sugerí a mi director de tesis, el ingeniero electricista Fernando Josepetti Fonseca emplear el método de blade coating. Él lo aceptó en caso de que yo lograra desarrollar un sistema automatizado de producción.”

Dos meses después de la fundación de la empresa, Nogueira Hamanaka y su socio fueron contemplados con un proyecto PIPE Etapa I, en el ámbito del cual desarrollaron los primeros prototipos para validar la factibilidad técnico-científica del BCC-02. A comienzos de 2022, obtuvieron la aprobación de otro proyecto PIPE II, que emplearon para optimizar partes del sistema apuntando a su comercialización en Brasil y en el exterior.

Este apoyo les permitió perfeccionar los controles que regulan la temperatura de la superficie que recibe el material soluble, y ajustar la lámina y la velocidad a la que la misma se mueve sobre él, de manera tal que actualmente el BCC-02 logra producir películas uniformes y con bajas rugosidades como los elaborados con spin coating, independientemente de su espesor.

También emplearon los recursos que se les otorgaron en el marco del programa para equipar el dispositivo con un cuchillo de nitrógeno para el secado de las películas finas. Esto le permite al BCC-02 producir películas con propiedades adecuadas para la fabricación de células solares de perovskitas, muy prometedoras para el mercado de energías renovables, al combinar alto rendimiento con bajo costo.

Como son flexibles y livianas, las células solares de perovskitas pueden utilizarse para generar energía eléctrica derivada de la luz solar en objetos tales como cortinas, mochilas y techos de vehículos, lo que amplía las posibilidades de aplicación de la energía fotovoltaica. “Nuestro equipo es el único en el mercado que posee ese chuchillo de nitrógeno”, afirma Nogueira Hamanaka.

Pero las aplicaciones van más allá. “En los laboratorios, el BCC-02 puede emplearse para fabricar capas de biomateriales para apósitos, en regeneración tisular y en nuevas formas de aplicación de fármacos y cosméticos”, dice la química.

Nogueira Hamanaka comenta que la idea inicial era concluir el desarrollo del equipo en 2023 para luego sacarlo al mercado. “Pero sucede que muchos investigadores a quienes les mostrábamos el producto nos preguntaban si ya podían comprar los prototipos”, dice la investigadora. “Decidimos entonces adelantar el lanzamiento y nos programamos para exhibirlo en el XX Brazil MRS Meeting, realizado por la Sociedad Brasileña de Investigación en Materiales en Foz de Iguazú, en septiembre de 2022.”

Esta decisión fue estratégica. “Sabíamos que allí contaríamos con la oportunidad de presentar la tecnología ante una gran cantidad de científicos brasileños y extranjeros de diversas áreas de investigación en materiales”, sostiene.

El interés y la aceptación que suscitó el producto superaron las expectativas, posiblemente porque se trata de un aparato de fácil ajuste y manipuleo, con un costo competitivo y que pueden usarlo científicos de distintas áreas en laboratorios de diferentes tamaños. “Regresamos del evento con algunos pedidos. Desde entonces ya hemos vendidos diez unidades del BCC-02”, afirma.

El dispositivo también atrajo la atención de varias empresas, entre ellas la multinacional alemana MBraun, una de las principales productoras de glove-boxes o cajas de guantes, recipientes sellados herméticamente con guantes en la parte frontal para el manipuleo de materiales en ambientes controlados. “El BCC-02 es pequeño, lo que facilita su utilización en el ambiente inerte de glove-box”, dice Nogueira Hamanaka.

La asociación con la empresa alemana se potenció recientemente con la aprobación de un proyecto PIPE Etapa III, cuando la idea y el prototipo ya han sido lo suficientemente desarrollados. Ahora, la empresa se aboca al diseño de un plan de negocio para consolidarlo en el mercado.

En el caso del BCC-02, que ya ha salido al mercado, los recursos se están destinando a efectuar los ajustes y las optimizaciones necesarias para la integración del equipo en ambientes de cajas de guantes. Si todo marcha bien, MBraun pasará a comprar el BCC-02 para integrarlo a sus glove-boxes que les vende a laboratorios de todo el mundo.