Nuevos materiales

En la UE se han elaborado 1.400 proyectos de investigación en la ciencia de los materiales
Por Alex Fernández Muerza 13 de enero de 2005

Sartenes que no se pegan, ropa impermeable que deja transpirar, medios de transporte más ligeros y resistentes, pantallas planas y delgadas como un libro o skis más estables, son, por citar sólo algunos, objetos o artilugios que forman parte de nuestra vida. Otros, como fármacos ultra-precisos diseñados a medida, músculos artificiales o metales que se auto-reparan, se encuentran todavía en fase de desarrollo o en la mente de los científicos y serán pronto tan cotidianos como los ya mencionados. Todos ellos son resultado directo de la llamada ciencia de los materiales, una rama científica que nos brindará grandes descubrimientos en los próximos años.

Qué son los nuevos materiales

La llamada ciencia de los materiales es una rama del conocimiento relativamente reciente y muy activa. Sus equipos de investigación, esencialmente multidisciplinares (físicos, químicos, ingenieros, informáticos, biólogos e incluso médicos), basan su trabajo en el centenar de elementos de la tabla periódica, las piezas químicas que componen la materia del universo. Con este aparente reducido número de elementos el número de combinaciones que se pueden realizar es tan grande que puede considerarse que acabamos de abrir las puertas de un futuro que actualmente sólo podemos imaginar.

En la actualidad, gran parte de lo que anteriormente se fiaba a la intuición o a la buena suerte se fundamenta en la aplicación de los constantes descubrimientos en física y química básica, algunos de los cuales acaban siendo incluso premios Nobel. Los diseñadores de nuevos materiales utilizan sistemas de simulación por ordenador para combinar átomos, calcular su estructura molecular y deducir sus propiedades físicas y químicas. A partir de ahí, elaboran los prototipos reales de aquellos modelos que tienen más posibilidades de poseer las propiedades buscadas, con el consiguiente ahorro de tiempo y costes.

El desarrollo de nuevos materiales va dejando obsoletas las clasificaciones tradicionales de los materiales, y las líneas de investigación abiertas y prometedoras son múltiples. Por ejemplo, la fundación COTEC para la Innovación Tecnológica estima que, sólo en la UE, se han elaborado 1.400 proyectos de investigación en esta área en los últimos años.

Según Emilio Castro Otero, investigador del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad de Santiago de Compostela (USC), los nuevos materiales con que conviviremos en nuestra vida diaria durante el siglo XXI se desarrollarán a medida, con el fin de obtener un material con unas propiedades adecuadas para una aplicación determinada y serán “nano”, inteligentes y biomiméticos, así como energéticamente más eficientes, reciclables y menos tóxicos a favor del medio ambiente y el desarrollo sostenible.

Cómo son -y serán- los nuevos materiales

La nanotecnología es uno de los novedosos campos que promete cambios espectaculares en la fabricación de nuevos materiales. La nanotecnología es la ciencia de fabricar y controlar estructuras y máquinas a nivel y tamaño molecular, capaz de construir nuevos materiales átomo a átomo. Su unidad de medida, el nanómetro, es la milmillonésima parte de un metro, 10 -9 metros. Algunos de estos dispositivos se utilizan en la actualidad, como por ejemplo los nanotubos, pequeñas tuberías conformadas con átomos de carbono puro para diseñar todo tipo de ingenios de tamaño nanoscópico.

Daniel López, investigador del laboratorio de Nanofabricación de Bell Labs, de Lucent Technologies, habla también de los metamateriales, compuestos cuyas propiedades físicas son distintas a la de sus constituyentes. Algunos de ellos se fabrican con técnicas de nanotecnología similares a las que se usan para fabricar micromáquinas y circuitos integrados. Según López, una ventaja de estos metamateriales es que con ellos se podrían fabricar lentes planas que permitirían enfocar la luz en áreas más pequeñas que la longitud de onda de la luz, con lo que podrían conseguirse aplicaciones en el terreno de la óptica o de las comunicaciones totalmente inéditas. Una de estas posibles aplicaciones serían los ordenadores ópticos, muchísimo más potentes y rápidos que los actuales, aunque su desarrollo se encuentra todavía en una fase muy preliminar.

Asimismo, los materiales inteligentes revolucionarán la forma de concebir la síntesis de materiales, puesto que serán diseñados para responder a estímulos externos, extender su vida útil, ahorrar energía o simplemente ajustarse para ser más confortables al ser humano. Así, las investigaciones en nanomateriales permitirán en el futuro, por ejemplo, sistemas de liberación de fármacos ultra-precisos, nanomáquinas para microfabricación, dispositivos nanoelectrónicos, tamices moleculares ultra-selectivos y nanomateriales para vehículos de altas prestaciones. Según Castro Otero, los materiales inteligentes podrán replicarse y repararse así mismos, e incluso, si fuera necesario, autodestruirse, reduciéndose con ello los residuos y aumentando su eficiencia. Entre los materiales inteligentes que se están investigando se encuentran los músculos artificiales o los materiales que “sienten” sus propias fracturas.

Por su parte, los materiales biomiméticos buscan replicar o “mimetizar” los procesos y materiales biológicos, tanto orgánicos como inorgánicos. Los investigadores que trabajan en este tipo de materiales persiguen un mejor conocimiento de los procesos utilizados por los organismos vivos para sintetizar minerales y materiales compuestos, de manera que puedan desarrollarse, por ejemplo, materiales ultraduros y, a la vez, ultraligeros.

La llamada biomedicina, así como otras nuevas disciplinas, como la biotecnología, la genómica o la proteinómica, persiguen también la creación de nuevos materiales que puedan dar lugar al desarrollo, por ejemplo, de tejidos y órganos artificiales biocompatibles, células madre, contenedores de tamaño molecular e inteligentes para la dosificación controlada de fármacos, proteínas bioactivas y genes, chips de ADN, dispositivos de bombeo, válvulas altamente miniaturizadas, una especie de plásticos, los polímeros, altamente biodegradables y medioambientalmente limpios a partir de microorganismos para evitar la utilización de derivados del petróleo como materia prima, y un sinfín de posibilidades que hoy por hoy se encuentran en la mente de los científicos.

Pedro Gómez Romero, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona del CSIC, habla también de ‘materiales invisibles’: “Son especies y subespecies de materiales que no están a la vista, pero que constituyen la esencia de multitud de dispositivos y productos que cada vez nos parecen más indispensables”. Su utilidad reside no tanto en sus propiedades mecánicas como en sus propiedades químicas, magnéticas, ópticas o electrónicas. Aunque representen una pequeña parte de los dispositivos en los que actúan, cumplen en ellos un papel estelar. Entre estos materiales invisibles, Gómez Romero habla por ejemplo de los empleados en las baterías, en las pantallas planas de ordenadores, teléfonos móviles, paneles electrónicos y otros dispositivos, o en las películas sensibles a los rayos-X.

Electrónica y construcción

En el terreno de la electrónica, los científicos buscan nuevas aplicaciones basadas en circuitos y dispositivos electrónicos hechos de materiales plásticos, baratos, flexibles y resistentes. Uno de los retos pasa por jubilar al silicio, el material esencial de los chips, aunque sigue siendo caro y delicado. Desde los años 80 se conocen las peculiares propiedades de toda una familia de polímeros orgánicos capaces de conducir la corriente eléctrica en determinadas condiciones e impedir su paso en otras, aunque no de forma tan eficiente como lo hace el silicio. Sin embargo, se han desarrollado recientemente materiales orgánicos de segunda generación, así como otros materiales inorgánicos e incluso híbridos orgánico-inorgánicos que se van acercando en eficacia al silicio, por lo que parece sólo cuestión de tiempo que algunos de ellos lleguen a alcanzar un nivel práctico de aplicación y se empiece a ver, por ejemplo, pantallas de televisión de gran tamaño similares a un póster de papel.

El descubrimiento de las cerámicas superconductoras de alta temperatura, capaces de transmitir la energía eléctrica sin resistencia, ha producido ya los primeros sensores superconductores, aunque todavía se encuentran en una fase de desarrollo muy básica. Asimismo, también se investiga en la consecución de herramientas nanotecnológicas y de materiales magnéticos especiales para discos duros y otros soportes de almacenamiento de datos, más fiables, pequeños y de mayor capacidad.

Un elemento que está siendo cada vez más utilizado es el denominado composite, un compuesto que une dos o más materiales, normalmente fibras introducidas en una resina polimérica (plásticos). El material que las envuelve, denominado matriz, le da volumen y protege a las fibras, con lo que se consiguen materiales muy resistentes de muy bajo peso, y aunque todavía no existen datos fiables debido a su novedad, se cree que por sus características serán mucho más duraderos que el hormigón armado y el acero. Hasta ahora, se han venido utilizando en lugares donde se exigía una gran resistencia con poco peso, como en los chasis y carrocerías de coches, motos de carreras o aviones. Por ejemplo, el Airbus 310 utiliza composites en muchas partes de su estructura.

Pero los composites no sólo se han quedado ahí. Uno de los ejemplos más claros es el del mundo de la construcción, donde se empieza a tenerlos cada vez más en cuenta. En la ciudad de Kobe, en Japón, tras el terremoto sufrido en 1995, se reforzaron las columnas y soportes de hormigón de las autopistas rodeándolas con varias capas de fibra de carbono y polímeros, por lo que no hubo que rehacerlas. En el edificio del Pentágono, el composite también fue de gran ayuda en el atentado del 11 de septiembre de 2001. El avión secuestrado chocó con la única fachada de las cinco que estaba fabricada con composites, siendo el daño menor de lo que hubiera supuesto el choque en cualquiera otra de las fachadas. Hoy en día, todas las fachadas del Pentágono se han reforzado con composites. Y más cerca, en el aeropuerto de Asturias, se ha terminado el pasado mes de marzo un puente cuyas vigas son de composites. Las vigas se instalaron en tres días utilizando una grúa ligera, mientras que del modo tradicional se hubieran necesitado meses y el uso de grúas pesadas.

Siguiendo en el terreno de la construcción, el físico italiano Cristoforo Benvenuti, experto en tecnología de materiales, asegura que se podría perder hasta diez veces menos calor en los edificios si se levantaran energéticamente “inteligentes”, gracias al desarrollo de nuevos materiales aislantes desarrollados con tecnologías nucleares, como los aceleradores de partículas.

La piezoelectricidad, descubierta hace ya más de un siglo por Pierre Curie, sigue también produciendo nuevos materiales. La piezoelectricidad consiste en la aparición, en las caras opuestas de un cristal, de cargas eléctricas de diferente signo cuando son estirados o comprimidos y, a la inversa. Como ejemplo de aplicación práctica de esta propiedad podríamos citar, ahora que las estaciones de ski se encuentran a pleno rendimiento, unos esquís compuestos de tiras de cerámica piezoeléctrica que disminuyen el riesgo de caídas.

Materiales para el espacio

La industria aeroespacial ha generado una gran cantidad de materiales nuevos para aumentar el rendimiento y la vida útil de sus prototipos, aunque luego muchos de ellos han trascendido a la vida cotidiana: los metales porosos, los materiales compuestos, multicapas, las cerámicas reforzadas por fibras, las estructuras laminares de aluminio, el cobre y carbono epoxi, el teflón, las fibras de vidrio y de carbono, el lamilloy, el kevlar o mylar son algunos ejemplos de estos materiales.

A pesar del desarrollo de estos materiales, todavía se está lejos de abandonar la utilización del acero, un material cuya vida útil es de unos 35 años, por lo que lo ideal sería sustituirlo o cuando menos añadirle nuevos elementos que aumenten su rendimiento y vida útil. Las investigaciones recientes encaminadas a mejorar las propiedades de los aceros, en particular los tratamientos radiactivos del hierro con base en neutrones, imprimen a este metal propiedades nuevas y útiles. Asimismo, se están diseñando aleaciones que cuentan con un componente que suelda perfectamente las microfisuras que se producen debido a los esfuerzos. Otro de los cambios importantes en la metalurgia aeroespacial se está produciendo con la utilización del titanio, y en menor proporción, del circonio. Ello se debe a que el titanio, además de ser abundante en la Tierra, no es corrosible y es mucho más resistente y ligero que los aceros.

Por su parte, las naves espaciales y los satélites de telecomunicaciones deben ser construidos con materiales que puedan resistir las durísimas condiciones existentes fuera de la Tierra. “En el espacio hay protones y electrones de alta energía, radiación ultravioleta, oxígeno atómico, diferencias de temperaturas extremas, alto vacío, radiación cósmica galáctica, micro-meteoros, desechos creados por el hombre, además de muchas otras cosas,” según Sheila Thibeault, del Centro Langley de Investigación de la NASA.

Por ello, la astronáutica también necesita desarrollar nuevos materiales, de ahí que impulse constantemente todo tipo de experimentos, como los de la Estación Espacial Internacional, los cuales podrían ser utilizados algún día para construir, por ejemplo, membranas livianas y resistentes a la radiación para proteger a los astronautas en los viajes espaciales, materiales ópticos que puedan mejorar la fiabilidad de los satélites, polímeros delgados que resistan los impactos de los micro-meteoros y que podrían facilitar la construcción de grandes antenas plegables, lentes y espejos inflables para captar energía solar, velas solares, supernaves espaciales y miles de otros aparatos insospechados.

Así pues, sin dejar de investigar en la mejora de los materiales convencionales, se diría que no conviene perder el tren de los materiales avanzados. Como subraya Gómez Romero, “a diferencia de hace treinta años, nuestro país ha puesto un pie en el espacio, en compañía de países del primer mundo, y nuestra sociedad reconoce la necesidad de invertir en el futuro. El esfuerzo de mucha gente durante décadas ha propiciado que el nivel de investigación científica y tecnológica en España sea comparable al de otros países europeos, a pesar de nuestro inferior nivel de financiación. El área de ciencia de materiales, por su propia naturaleza, puede servir de puente entre la investigación científica básica y la aplicación industrial”.

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