La imagen arquetípica de un satélite – con dos “alas” solares extendidas y un cuerpo compacto envuelto en una lámina brillante dorada o plateada – es el foco de una investigación en el laboratorio “Mechanics of Materials and Nanostructures” del Empa en Thun, Suiza. Esta lámina, conocida como “aislamiento multicapa” o “superaislamiento”, es crucial para la protección de satélites y sondas espaciales. Está compuesta por múltiples capas de un polímero resistente recubierto con una fina capa de metal, generalmente aluminio, y en la Tierra, se puede encontrar en forma de mantas térmicas de emergencia.
A bordo de las naves espaciales, este superaislamiento protege la electrónica de las fluctuaciones extremas de temperatura. “Para los satélites en órbita terrestre baja, la diferencia de temperatura entre el lado expuesto al sol y el lado en sombra puede alcanzar los 150 grados”, explica Barbara Putz, investigadora del Empa. “Sin embargo, la electrónica funciona mejor a una temperatura ambiente de 25 grados Celsius”. Debido a su exposición directa a las condiciones del espacio, el superaislamiento debe ser extremadamente resistente.
El poliimida, un plástico altamente resistente, se utiliza comúnmente como base polimérica para esta estructura de capas delgadas. Además de su resistencia a la temperatura y al vacío, el poliimida se destaca por la excelente adherencia de la capa de aluminio. “La razón de esto es una capa intermedia de apenas unos nanómetros de espesor que se forma durante el recubrimiento entre el polímero y el aluminio”, explica Putz. La investigadora ahora busca estudiar esta capa con mayor detalle y utilizarla de manera específica. Se espera que esta capa no solo mejore el superaislamiento para futuros satélites, sino que también acelere el desarrollo de la electrónica flexible en la Tierra. Este proyecto de investigación recibió en 2020 la “Ambizione Grant” del Fondo Nacional Suizo (SNF).
Cinco nanómetros marcan la diferencia
Para comprender la capa intermedia y su impacto en las propiedades de los materiales, Barbara Putz y su estudiante de doctorado, Johanna Byloff, optaron por un sistema modelo simple: una lámina de poliimida de 50 micrómetros de espesor, recubierta con 150 nanómetros de aluminio. Entre el metal y el plástico, las investigadoras aplicaron un recubrimiento de óxido de aluminio de solo cinco nanómetros de espesor. Trabajar con una capa intermedia tan delgada es exigente. Para garantizar un procesamiento limpio, utilizaron una máquina de recubrimiento de Swiss Cluster AG, una empresa derivada del Empa, fundada en 2020 por investigadores del laboratorio “Mechanics of Materials and Nanostructures”. Este equipo permite aplicar múltiples procesos de recubrimiento sucesivamente a la misma pieza de trabajo sin retirarla de la cámara de vacío.
“Nuestra combinación de materiales es similar a la utilizada para aplicaciones espaciales, como la sonda europea Mercurio BepiColombo o el escudo solar del telescopio espacial James Webb de la NASA”, afirma Byloff. “Sin embargo, la capa de óxido se forma naturalmente allí, mientras que nosotros la creamos deliberadamente, lo que permite ajustar las propiedades”. El escudo solar del telescopio espacial, que mide 21 por 14 metros, también ilustra las exigencias que se imponen a los materiales en el espacio. Además de las grandes diferencias de temperatura, las capas aislantes también están sujetas a tensiones mecánicas. “Por un lado, el escudo solar estaba plegado durante el lanzamiento del telescopio y tuvo que desplegarse en su lugar de uso sin que las capas se rasgaran o se separaran”, explica Byloff. “Por otro lado, las partículas y los desechos espaciales pueden dañar la lámina. Es importante que los daños permanezcan localizados y no se propaguen como largas grietas por toda la superficie”.
De satélites a sensores médicos
Las investigadoras han sometido su lámina modelo a pruebas exhaustivas, pruebas de tensión y choques térmicos, y la han caracterizado química y físicamente. El resultado: la capa intermedia hace que el material sea más flexible y significativamente más resistente a las grietas y las fuerzas de cizallamiento. A continuación, las investigadoras planean variar el grosor de la capa y aplicarla a otros sustratos poliméricos. “La capa intermedia natural solo se forma en poliimida y solo tiene un grosor de cinco nanómetros, lo que limita su utilidad”, dice Barbara Putz. “Esperamos que nuestra capa intermedia artificial permita sistemas multicapa en otros polímeros que hasta ahora no eran viables debido a la mala adherencia del recubrimiento”.
El aislamiento de satélites no es el único campo en el que se demandan sistemas multicapa flexibles. Putz y Byloff también ven un área de aplicación importante para su investigación en el campo de la electrónica flexible, que también se basa en sustratos poliméricos recubiertos de metal. Los componentes de película delgada para dispositivos electrónicos suelen tener múltiples capas de diferentes materiales. Pero también allí, las propiedades mecánicas pueden mejorarse mediante el uso específico de capas intermedias delgadas. Esto podría permitir dispositivos plegables o enrollables, textiles inteligentes y sensores médicos ajustados.
Más información en el comunicado de prensa
Literatura
J Byloff, V Devulapalli, D Casari, TEJ Edwards, COW Trost, MJ Cordill, SA Husain, PO Renault, D Faurie, B Putz: From Mechanics to Electronics: Influence of ALD Interlayers on the Multiaxial Electro‐Mechanical Behavior of Metal–Oxide Bilayers; Advanced Functional Materials (2025); doi: 10.1002/adfm.202526343
J Byloff, COW Trost, V Devulapalli, S Altaf Husain, D Faurie, PO Renault, TEJ Edwards, MJ Cordill, D Casari, B Putz: Atomic Layer-Deposited Interlayers for Robust Metal–Polymer Interfaces; ACS Applied Materials & Interfaces (2025); doi: 10.1021/acsami.5c05156
Información
Dra. Barbara Putz
Empa, Mechanics of Materials and Nanostructures
Tel. +41 58 765 62 54
barbara.putz@empa.ch
Johanna Byloff
Empa, Mechanics of Materials and Nanostructures
Tel. +41 58 765 63 12
johanna.byloff@empa.ch
