Nous materials

L’anomenada ciència dels materials és una branca del coneixement relativament recent i molt activa. Els seus equips de recerca, essencialment multidisciplinàries (físics, químics, enginyers, informàtics, biòlegs i fins i tot mèdics), basen el seu treball en el centenar d’elements de la taula periòdica, les peces químiques que componen la matèria de l’univers. Amb aquest aparent reduït nombre d’elements el nombre de combinacions que es poden realitzar és tan gran que pot considerar-se que acabem d’obrir les portes d’un futur que actualment només podem imaginar.

En l’actualitat, gran part del que anteriorment es fiava a la intuïció o a la bona sort es fonamenta en l’aplicació dels constants descobriments en física i química bàsica, alguns dels quals acaben sent fins i tot premis Nobel. Els dissenyadors de nous materials utilitzen sistemes de simulació per ordinador per a combinar àtoms, calcular la seva estructura molecular i deduir les seves propietats físiques i químiques. A partir d’aquí, elaboren els prototips reals d’aquells models que tenen més possibilitats de posseir les propietats buscades, amb el consegüent estalvi de temps i costos.

El desenvolupament de nous materials va deixant obsoletes les classificacions tradicionals dels materials, i les línies de recerca obertes i prometedores són múltiples. Per exemple, la fundació COTEC per a la Innovació Tecnològica estima que, només a la UE, s’han elaborat 1.400 projectes de recerca en aquesta àrea en els últims anys.

Segons Emilio Castro Otero, investigador del Departament de Física de la Matèria Condensada de la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC), els nous materials amb què conviurem en la nostra vida diària durant el segle XXI es desenvoluparan a mesura, amb la finalitat d’obtenir un material amb unes propietats adequades per a una aplicació determinada i seran “nano”, intel·ligents i biomiméticos, així com energèticament més eficients, reciclables i menys tòxics a favor del medi ambient i el desenvolupament sostenible.

La nanotecnologia és un dels nous camps que promet canvis espectaculars en la fabricació de nous materials. La nanotecnologia és la ciència de fabricar i controlar estructures i màquines a nivell i grandària molecular, capaç de construir nous materials àtom a àtom. La seva unitat de mesura, el nanòmetre, és la milmillonésima parteix d’un metre, 10 -9 metres. Alguns d’aquests dispositius s’utilitzen en l’actualitat, com per exemple els nanotubos, petites canonades conformades amb àtoms de carboni pur per a dissenyar tot tipus d’enginys de grandària nanoscópico.

Daniel López, investigador del laboratori de Nanofabricació de Bell Labs, de Lucent Technologies, parla també dels metamateriales, composts les propietats físiques dels quals són diferents a la dels seus constituents. Alguns d’ells es fabriquen amb tècniques de nanotecnologia similars a les que s’usen per a fabricar micromáquinas i circuits integrats. Segons López, un avantatge d’aquests metamateriales és que amb ells es podrien fabricar lents planes que permetrien enfocar la llum en àrees més petites que la longitud d’ona de la llum, amb el que podrien aconseguir-se aplicacions en el terreny de l’òptica o de les comunicacions totalment inèdites. Una d’aquestes possibles aplicacions serien els ordinadors òptics, moltíssim més potents i ràpids que els actuals, encara que el seu desenvolupament es troba encara en una fase molt preliminar.

Així mateix, els materials intel·ligents revolucionaran la manera de concebre la síntesi de materials, ja que seran dissenyats per a respondre a estímuls externs, estendre la seva vida útil, estalviar energia o simplement ajustar-se per a ser més confortables a l’ésser humà. Així, les recerques en nanomaterials permetran en el futur, per exemple, sistemes d’alliberament de fàrmacs ultres-precisos, nanomáquinas per a microfabricación, dispositius nanoelectrónicos, tamisos moleculars ultra-selectius i nanomaterials per a vehicles d’altes prestacions. Segons Castro Otero, els materials intel·ligents podran replicar-se i reparar-se així mateixos, i fins i tot, si fos necessari, autodestruir-se, reduint-se amb això els residus i augmentant la seva eficiència. Entre els materials intel·ligents que s’estan investigant es troben els músculs artificials o els materials que “senten” les seves pròpies fractures.

Per part seva, els materials biomiméticos busquen replicar o “mimetitzar” els processos i materials biològics, tant orgànics com inorgànics. Els investigadors que treballen en aquesta mena de materials persegueixen un millor coneixement dels processos utilitzats pels organismes vius per a sintetitzar minerals i materials composts, de manera que puguin desenvolupar-se, per exemple, materials ultraduros i, alhora, ultralleugers.

L’anomenada biomedicina, així com altres noves disciplines, com la biotecnologia, la genòmica o la proteinómica, persegueixen també la creació de nous materials que puguin donar lloc al desenvolupament, per exemple, de teixits i òrgans artificials biocompatibles, cèl·lules mare, contenidors de grandària molecular i intel·ligents per al dosatge controlat de fàrmacs, proteïnes bioactivas i gens, xips d’ADN, dispositius de bombament, vàlvules altament miniaturitzades, una espècie de plàstics, els polímers, altament biodegradables i mediambientalment nets a partir de microorganismes per a evitar la utilització de derivats del petroli com a matèria primera, i una infinitat de possibilitats que ara com ara es troben en la ment dels científics.

Pedro Gómez Romero, investigador de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona del CSIC, parla també de ‘materials invisibles’: “Són espècies i subespècies de materials que no estan a la vista, però que constitueixen l’essència de multitud de dispositius i productes que cada vegada ens semblen més indispensables”. La seva utilitat resideix no tant en les seves propietats mecàniques com en les seves propietats químiques, magnètiques, òptiques o electròniques. Encara que representin una petita part dels dispositius en els quals actuen, compleixen en ells un paper estel·lar. Entre aquests materials invisibles, Gómez Romero parla per exemple dels empleats en les bateries, en les pantalles planes d’ordinadors, telèfons mòbils, panells electrònics i altres dispositius, o en les pel·lícules sensibles als raigs-X.

En el terreny de l’electrònica, els científics busquen noves aplicacions basades en circuits i dispositius electrònics fets de materials plàstics, barats, flexibles i resistents. Un dels reptes passa per jubilar al silici, el material essencial dels xips, encara que continua sent car i delicat. Des dels anys 80 es coneixen les peculiars propietats de tota una família de polímers orgànics capaços de conduir el corrent elèctric en determinades condicions i impedir el seu pas en unes altres, encara que no de forma tan eficient com ho fa el silici. No obstant això, s’han desenvolupat recentment materials orgànics de segona generació, així com altres materials inorgànics i fins i tot híbrids orgànic-inorgànics que es van acostant en eficàcia al silici, per la qual cosa sembla només qüestió de temps que alguns d’ells arribin a aconseguir un nivell pràctic d’aplicació i es comenci a veure, per exemple, pantalles de televisió de gran grandària similars a un pòster de paper.

El descobriment de les ceràmiques superconductores d’alta temperatura, capaces de transmetre l’energia elèctrica sense resistència, ha produït ja els primers sensors superconductors, encara que encara es troben en una fase de desenvolupament molt bàsica. Així mateix, també s’investiga en la consecució d’eines nanotecnológicas i de materials magnètics especials per a discos durs i altres suports d’emmagatzematge de dades, més fiables, petits i de major capacitat.

Un element que està sent cada vegada més utilitzat és el denominat composite, un compost que uneix dos o més materials, normalment fibres introduïdes en una resina polimèrica (plàstics). El material que les embolica, denominat matriu, li dóna volum i protegeix a les fibres, amb el que s’aconsegueixen materials molt resistents de molt baix pes, i encara que encara no existeixen dades fiables a causa de la seva novetat, es creu que per les seves característiques seran molt més duradors que el formigó armat i l’acer. Fins ara, s’han vingut utilitzant en llocs on s’exigia una gran resistència amb poc pes, com en els xassissos i carrosseries de cotxes, motos de carreres o avions. Per exemple, l’Airbus 310 utilitza composites en moltes parts de la seva estructura.

Però els composites no sols s’han quedat aquí. Un dels exemples més clars és el del món de la construcció, on es comença a tenir-los cada vegada més en compte. A la ciutat de Kobe, al Japó, després del terratrèmol sofert en 1995, es van reforçar les columnes i suports de formigó de les autopistes envoltant-les amb diverses capes de fibra de carboni i polímers, per la qual cosa no va caldre refer-les. En l’edifici del Pentágono, el composite també va ser de gran ajuda en l’atemptat de l’11 de setembre de 2001. L’avió segrestat va xocar amb l’única façana de les cinc que estava fabricada amb composites, sent el mal menor del que hagués suposat el xoc en qualsevol una altra de les façanes. Avui dia, totes les façanes del Pentágono s’han reforçat amb composites. I més a prop, en l’aeroport d’Astúries, s’ha acabat el mes de març passat un pont les bigues del qual són de composites. Les bigues es van instal·lar en tres dies utilitzant una grua lleugera, mentre que de la manera tradicional s’haguessin necessitat mesos i l’ús de grues pesades.

Seguint en el terreny de la construcció, el físic italià Cristoforo Benvenuti, expert en tecnologia de materials, assegura que es podria perdre fins a deu vegades menys calor en els edificis si s’aixequessin energèticament “intel·ligents”, gràcies al desenvolupament de nous materials aïllants desenvolupats amb tecnologies nuclears, com els acceleradors de partícules.

La piezoelectricitat, descoberta fa ja més d’un segle per Pierre Curie, continua també produint nous materials. La piezoelectricitat consisteix en l’aparició, en les cares oposades d’un cristall, de càrregues elèctriques de diferent signe quan són estirats o comprimits i, al revés. Com a exemple d’aplicació pràctica d’aquesta propietat podríem citar, ara que les estacions de ski es troben a ple rendiment, uns esquís composts de tires de ceràmica piezoelèctrica que disminueixen el risc de caigudes.

La indústria aeroespacial ha generat una gran quantitat de materials nous per a augmentar el rendiment i la vida útil dels seus prototips, encara que després molts d’ells han transcendit a la vida quotidiana: els metalls porosos, els materials composts, multicapas, les ceràmiques reforçades per fibres, les estructures laminars d’alumini, el coure i carboni epoxi, el tefló, les fibres de vidre i de carboni, el lamilloy, el kevlar o mylar són alguns exemples d’aquests materials.

Malgrat el desenvolupament d’aquests materials, encara s’està lluny d’abandonar la utilització de l’acer, un material la vida útil del qual és d’uns 35 anys, per la qual cosa l’ideal seria substituir-lo o si més no afegir-li nous elements que augmentin el seu rendiment i vida útil. Les recerques recents encaminades a millorar les propietats dels acers, en particular els tractaments radioactius del ferro amb base en neutrons, imprimeixen a aquest metall propietats noves i útils. Així mateix, s’estan dissenyant aliatges que compten amb un component que suelda perfectament les microfisuras que es produeixen a causa dels esforços. Un altre dels canvis importants en la metal·lúrgia aeroespacial s’està produint amb la utilització del titani, i en menor proporció, del zirconi. Això es deu al fet que el titani, a més de ser abundant en la Terra, no és corrosible i és molt més resistent i lleuger que els acers.

Per part seva, les naus espacials i els satèl·lits de telecomunicacions han de ser construïts amb materials que puguin resistir les duríssimes condicions existents anés de la Terra. “En l’espai hi ha protons i electrons d’alta energia, radiació ultraviolada, oxigen atòmic, diferències de temperatures extremes, alt buit, radiació còsmica galàctica, micro-meteors, deixalles creades per l’home, a més de moltes altres coses,” segons Sheila Thibeault, del Centre Langley de Recerca de la NASA.

Per això, l’astronàutica també necessita desenvolupar nous materials, per aquest motiu impulsi constantment tot tipus d’experiments, com els de l’Estació Espacial Internacional, els quals podrien ser utilitzats algun dia per a construir, per exemple, membranes lleugeres i resistents a la radiació per a protegir als astronautes en els viatges espacials, materials òptics que puguin millorar la fiabilitat dels satèl·lits, polímers prims que resisteixin els impactes dels micro-meteors i que podrien facilitar la construcció de grans antenes plegables, lents i miralls inflables per a captar energia solar, veles solars, supernaves espacials i milers d’altres aparells insospitats.

Així doncs, sense deixar d’investigar en la millora dels materials convencionals, es diria que no convé perdre el tren dels materials avançats. Com subratlla Gómez Romero, “a diferència de fa trenta anys, el nostre país ha posat un peu en l’espai, en companyia de països del primer món, i la nostra societat reconeix la necessitat d’invertir en el futur. L’esforç de molta gent durant dècades ha propiciat que el nivell de recerca científica i tecnològica a Espanya sigui comparable al d’altres països europeus, malgrat el nostre inferior nivell de finançament. L’àrea de ciència de materials, per la seva pròpia naturalesa, pot servir de pont entre la recerca científica bàsica i l’aplicació industrial”.