Biomimetic strategies for the consolidation and protection of stone materials used in cultural heritage

Resumen

Hoy día, cualquiera que haya mirado un monumento o edificio histórico puede observar como ciertos materiales, expuestos al ambiente e injerencias meteorológicas, presentan un perceptible deterioro. Dicho deterioro implica, en última instancia, una perdida para la humanidad de nuestro patrimonio histórico. Esto ha motivado a la comunidad científica a encontrar tratamientos que preserven estos materiales del deterioro. Durante los últimos años, el desarrollo de procesos biomiméticos está recibiendo un creciente interés, especialmente en lo que a biomateriales en medicina regenerativa se refiere. No obstante, procesos análogos pueden ser usados sobre rocas ornamentales usadas en patrimonio. En la presente tesis doctoral se han investigado tres procesos, tanto de consolidación, como de protección de rocas calizas, que intentan imitar procesos existentes en la naturaleza. Del mismo modo ha sido estudiado el cómo aditivos, especialmente orgánicos y también presentes en microrganismos, son capaces de controlar los mecanismos que rigen estos procesos biomiméticos. 1. Re-/crecimiento cristalino basado en la movilización, fijación y recristalización de fases amorfas. El uso de precursores amorfos puede presentar una capacidad de llenado de huecos y actuar como agente consolidante en sustratos calcáreos, como ocurre de manera análoga en diversos biominerales formados a través de un precursor amorfo. En última instancia, la transformación de fases amorfas en cristalinas puede tener lugar mediante un mecanismo acoplado de disolución-precipitación. Los resultados de esta tesis sugieren que, el uso de nanopartículas amorfas, tanto de oxalato como de carbonato de calcio (ACO y ACC respectivamente), estabilizados con aditivos orgánicos naturales, como el citrato y el poliacrilato, presentan un efecto consolidante en materiales pétreos calcíticos como la calcarenita, lo que se pone de manifiesto por el incremento de la resistencia mecánica al taladrado y, especialmente en el caso del ACO, por un incremento en la resistencia al ataque ácido. 2. Procesos de formación de capas protectoras de oxalato basadas en procesos de reemplazamiento mineral Imitando este fenómeno de ocurrencia natural, en esta tesis doctoral se propone el uso de ácido oxálico para generar una capa protectora, de unas decenas de µm, que cubra de manera homogénea el sustrato pétreo. Los resultados indican que, la aplicación de ácido oxálico, en un sustrato calcáreo como el mármol, resulta en el desarrollo de una capa muy coherente de oxalato cálcico monohidratado (whewellite) que reproduce a la perfección la topografía inicial del sustrato. Esta capa protectora otorga al sustrato una alta resistencia frente al ataque químico sin alterar de manera perceptible su aspecto visual y propiedades hídricas. 3. Generación de superficies hidrofóbicas que imiten a la flor de loto En la naturaleza puede observarse como ciertas plantas, como la nelumbo nucifera, comúnmente conocida como flor de loto, presentan propiedades autolimpiantes debido a su alta repelencia al agua (hidrofobicidad). Productos comerciales como los alcoxisilanos, mediante un proceso “sol-gel”, generan un recubrimiento hidrófobo debido a una rugosidad de la superficie presentando la ventaja de penetrar hacia el interior de sustratos pétreos, lo que les confiere también carácter consolidante. Sin embargo, presentan problemas de estabilidad con el tiempo dado su carácter orgánico y limitaciones en el carácter hidrofóbico que pueden llegar a alcanzar. Nuestra propuesta es ese aspecto se basa en el por qué no utilizar nanopartículas de un precursor amorfo que en última instancia puedan interaccionar de manera beneficiosa con el sustrato pétreo, ayudando al mismo tiempo a combatir el cracking y aumentando la microrugosidad superficial.